DE102008042201A1

DE102008042201A1 - Elektromotorischer Verspannmechanismus und Startmethodik dafür

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Publication number: DE102008042201A1
Application number: DE102008042201A
Authority: DE
Inventors: Jinshen Dr.-Ing. Jiang; Viktor Dr.-Ing. Barinberg
Original assignee: Baumueller Nuernberg GmbH
Current assignee: Baumueller Nuernberg GmbH
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: US20090102402A1; DE102008042201B4; BRPI0803535B8; JP5420218B2; BRPI0803535B1; JP2009089591A; BRPI0803535A2; CA2639841C; US7944158B2; CA2639841A1

Abstract

Feldorientiertes Regelverfahren für einen elektrischen Antrieb mit mehreren Elektromotoren zur Realisierung eines Verspannmechanismus, insbesondere für Strang- und/oder Getriebemittel, unter Verwendung von Messungen an einem mehrphasigen Motor-Iststrom, deren Messwerte in Abhängigkeit von einem magnetischen Rotor-Feld- beziehungsweise Flusswinkel in ein rotorflussbezogendes d,q-Koordinatensystem zu einer Längsstromkomponente und einer Querstromkomponente transformiert werden und die Quer- und Längsstromkomponenten vom Ist-Strom einem Vergleich mit vorgegebenen Quer- und Längsstromkomponenten eines Stromsollwerts unterworfen werden, mit folgenden Schritten: a) Als Elektromotoren werden zwei Synchronmotoren verwendet, b) die Polräder oder Rotoren der beiden Synchronmotoren werden zueinander derart verdreht oder ausgerichtet und dann mechanisch gekoppelt, dass sich zwischen ihren magnetischen Flussverkettungen oder sonstigen Magnetflüssen in Winkelversatz bildet, c) die beiden Synchronmotoren werden von einem gemeinsamen Stromrichter aus mit jeweils denselben Phasenströmen gespeist beziehungsweise durchflossen, d) für ein Vorspannmoment wird ein Soll- oder Stellwert vorgegeben und einem von einem Regler ausgegebenen Motormoment-Stellwert überlagert, woraus eine Querstromkomponente für den Strommsollwert abgeleitet wird, e) aus dem vorgegebenen Vorspannmoment-Stellwert wird mit Vorzeichen-Umkehr eine Längsstromkomponente für den Stromsollwert abgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein feldorientiertes Regelverfahren für einen elektrischen Antrieb mit mehreren Elektromotoren, beispielsweise um einen Verspannmechanismus insbesondere für Strang- und/oder Getriebemittel zu realisieren. Für die Regelung werden Messungen an einem mehrphasigen Motor-Iststrom vorgenommen. Die Messwerte werden in Abhängigkeit von einem magnetischen Rotor-Feld- bzw. Flusswinkel in ein rotorbezogenes d, q-Koordinatensystem zu einer Längsstromkomponente und einer Querstromkomponente transformiert. Die gemessene Querstromkomponente wird einem Vergleich mit einer vorgegebenen Querstromkomponente eines Stromsollwerts unterworfen, um daraus eine Vorgabe für die Motorstromregelung zu gewinnen.
Ferner betrifft die Erfindung eine insbesondere zur Durchführung des Regelverfahrens geeignete Elektromotorenanordnung mit wenigstens zwei jeweils mehrphasig betreibbaren Elektromotoren. Weiter betrifft die Erfindung einen Lage- und/oder Geschwindigkeitsregler zur feldorientierten Regelung eines elektrischen Antriebs, der insbesondere zum Einsatz in dem vorgenannten Regelverfahren oder der vorgenannten Elektromotorenanordnung geeignet ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren zum Starten eines Verspannantriebs sowie eine dazu eingerichtete Elektromotorenanordnung.
Für eine Steer-By-Wire-Lenkanlage wird ein Lenkaktuator vorgeschlagen ( DE 101 03 667 A1 ), bei dem zwei Elektromotoren vorgesehen sind. Die Ritzel der Elektromotoren wirken auf ein Getrieberad, welches beispielsweise ein Zahnstangenlenkgetriebe oder eine Lenksäule mit einem darauf befestigten Lenkrad antreibt. Müssen nur geringe Momente vom Aktuator erzeugt werden, werden die beiden Elektromotoren so angesteuert, dass sie gegeneinander verspannt sind und somit kein Spiel in der Verzahnung zwischen Ritzel und Getrieberad auftritt. Dies ist gewährleistet, wenn die Zahnflanken des Ritzels und des Getrieberads spielfrei aneinander liegen. Der spielfreie Antrieb des Getrieberads lässt sich durch eine geeignete Ansteuerung der beiden Elektromotoren erreichen, indem die Drehrichtungen der beiden Elektromotoren gegeneinander gerichtet sind. Ferner wird vorgeschlagen, die beiden Elektromotoren je mit einem Rotorlagegeber zu versehen, um gegenüber einem möglichen Ausfall eines der beiden Elektromotoren durch Redundanz vorzusorgen.
Dem gegenüber wird zur effizienten Steuerbarkeit des Mehrmotoren-Elektroantriebs das im Anspruch 1 angegebene Regelverfahren vorgeschlagen. Eine zur Durchführung des Regelverfahrens geeignete Elektromotorenanordnung ist im unabhängigen Anspruch 11 angegeben. Ein ferner unter die allgemeine erfinderische Idee fallender Lage- und/oder Geschwindigkeitsregler ist im unabhängigen Anspruch 22 definiert. Optionale, vorteilhafte Ausbildungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung umfasst die Grundidee, zwei Synchronmotoren mit ihren Phasenwicklungen in Serie zu schalten und dabei ihre beiden Polräder und Rotor-Magnetflüsse mit einem Phasen- beziehungsweise Winkelversatz zueinander rotieren zu lassen. Zur Effizienzsteigerung trägt bereits der erfindungsgemäße Einsatz zweier Synchronmotoren bei, die sich durch effektive Steuerbarkeit, hohen Wirkungsgrad, großen Leistungsfaktor und gleichzeitig kleines Bauvolumen auszeichnen, was Vorteile für Servoanwendungen wie bei Verspannmechanismen erbringt. Insbesondere zeichnen sich Synchronmaschinen durch ein mit dem Rotor fixiertes, umlaufendes Hauptfeld aus, und die Magnetflussverkettung beruht vielfach auf Permanentmagnete, die auf der Oberfläche des Rotors montiert sind und zu einem näherungsweise konstanten Rotorfluss führen, was die Regelbarkeit erleichtert.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Polräder oder Rotoren der beiden Synchronmotoren zueinander mit ihren magnetischen Flussverkettungen oder sonstigen Magnetausrichtungen winkelmäßig versetzt, so dass sich ein und derselbe Phasenstrom in dem einen Motor als flussbildende (Längs-)Stromkomponente und in dem anderen Motor als Drehmoment bildende (Quer-)Stromkomponente auswirken kann. Der Phasen- beziehungsweise Winkelversatz ist in Bezug auf stationäre beziehungsweise stehende Koordinaten, insbesondere in Bezug auf ein statorbezogenes Koordinatensystem definiert.
Damit ist der Weg zum nächsten erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmal eröffnet, nämlich die beiden Synchronmotoren von einem gemeinsamen Stromrichter aus mit jeweils denselben Phasenströmen zu speisen. Damit wird unter erheblicher Bauteile-Einsparung nur noch ein einziger Stromrichter, insbesondere Um- oder Wechselrichter, benötigt.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Regelung wird ein Vor- oder Verspannmoment-Soll- bzw. Stellwert vorgegeben, der einerseits der Querstromkomponente des Stromsollwerts überlagert wird. Andererseits wird dieser vorgegebene Verspannmoment-Stellwert über eine Vorzeichen-Umkehr gleichsam als Längsstromkomponente für den Stromsollwert verwendet. Diese Längsstromkomponente wirkt sich aufgrund des genannten Winkelversatzes der Magnetflusse im zweiten Synchronmotor als Drehmoment bildende Querstromkomponente aus, wohingegen im zweiten Motor die dem ersten Motor eingeprägte Querstromkomponente im zweiten Motor nun die flussbildende Längskomponente ergibt.
Hierdurch lässt sich ein koordiniertes und aufeinander abgestimmtes Bewegungsverhalten der Elektromotoren erzielen, was sich besonders gut zur Realisierung eines Verspannmechanismus zwecks Beseitigung von Spiel bei Getriebe- oder Strangmitteln eignet. Die Koordination der Bewegungsabläufe beruht auf der Kopplung der jeweiligen Flussverkettungen der Synchronmotoren über Winkelversatz, wobei ein und demselben Phasenstrom in einem Motor die Funktion als Querstromkomponente und im anderen Motor die Funktion als Längsstromkomponente zufällt.
Zur Vereinfachung des regelungstechnischen Aufwands ist es anzustreben, im Dauerbetrieb den Winkelversatz der jeweiligen Magnetflüsse der Rotoren der Synchronmotoren bzw. den Stellwert für das Vorspannmoment konstant zu halten. Dadurch kann der jeweilige Phasenstrom der beiden Synchronmotoren leicht und gezielt an Sollwertvorgaben angepasst werden.
Die im Rahmen der allgemeinen erfinderischen Idee liegende Synchronmotorenanordnung zeichnet sich durch deren Reihenschaltung aus. Dies lässt sich dadurch realisieren, dass der zweite Synchronmotor über die Anfänge seiner Phasenwicklungen mit den Enden der Phasenwicklungen des ersten Synchronmotors verbunden ist, der wiederum über die Anfänge seiner Phasenwicklungen mit dem Stromrichter verbunden ist. Dies ergibt eine Kopplung der beiden Synchronmotoren mit dem gemeinsamen Stromrichter. Durch diese Reihenschaltung aus Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, ersten Synchronmotor und zweiten Synchronmotor wird das erfindungsgemäße Verfahrensmerkmal realisiert, dass durch beide Motoren derselbe Phasenstrom fließt. Dabei ist nur einer der beiden Synchronmotoren direkt mit dem gemeinsamen Stromrichter verbunden. Demnach sind die Synchronmotoren miteinander seriell über ihre Phasenwicklungen derart gekoppelt, dass jeder Synchronmotor vom gemeinsamen Stromrichter aus mit denselben Phasenströmen gespeist wird.
Wichtig ist, dass die magnetischen Ausrichtungen der Polräder bzw. Rotoren der beiden Synchronmotoren nicht in Phase, sondern gegeneinander mit einem Versatzwinkel versetzt sind. Dieser kann grundsätzlich zwischen 0 und ±180°, so beispielsweise bei ±45° liegen. In der Praxis haben sich vor allem 90° Winkelversatz als optimal gezeigt.
Zur Realisierung der Phasenverschiebung bzw. des Winkelversatzes zwischen den magnetischen Flussverkettungen oder magnetischen Ausrichtungen der beiden Synchronmotoren dient auf der Basis der Erfindung eine mechanische Kopplung, die beispielsweise durch Strang- oder Getriebemittel zwischen den Rotoren oder Polrädern realisiert sein kann.
Diese Realisierung ist gleichzeitig für den erfindungsgemäßen Anwendungsfall „Verspannmechanismus" effizient, weil die mechanische Kopplung dann durch die zu verspannenden Strangzugmittel oder Zahnrand- oder sonstige Getriebemittel hergestellt werden kann. Sind die Zugstrangmittel oder die Getriebemittel verspannt, dann ist die mechanische Kupplung zwischen den Rotoren der Synchronmotoren und damit auch der Winkelversatz zwischen deren Flussverkettungen bzw. magnetischen Flussausrichtungen festgelegt bzw. definiert.
Das erfindungsgemäße Grundprinzip eröffnet nicht nur die Ausbildung des Zwei-Elektromotoren-Antriebs mit nur einem Wechsel- bzw. Stromrichter, sondern auch dahingehend, dass nur einer der beiden Synchronmotoren mit einer Einrichtung zur Lageerkennung (Sensorik und/oder Motormodell) versehen ist. Daraus ergibt sich konsequenterweise die weitere, Bauteile sparende und damit kostengünstige Erfindungsausbildung, dass ein einem Wechselrichter ansteuernder Regler im Rahmen eines Antriebsregelkreises beiden Synchronmotoren zugeordnet ist. Die zusätzliche Bauteile- und Kosteneinsparung, verbunden mit einer Erhöhung der technischen Zuverlässigkeit, liegt auf der Hand.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass der oben angesprochene Verspannantrieb im Anfangszustand ohne Stromfluss keinen definierten Zustand besitzt. Die Polräder der beiden Synchronmotoren können gegeneinander frei verdreht sein, ohne dass der gewünschte Phasenversatz von vorzugsweise 90° zwischen den beiden Polrädern vorliegt. In einem ungebremsten System kann es im stromlosen Zustand durch äußere Kräfte oder Momente zu undefinierten Lagen des zu verspannenden Elementes kommen. Mechanische Bremsen sind kostenaufwendig, sie müssen zusammen mit dem übrigen Antriebssystem überwacht und ausgewertet werden. Es stellt sich also die Aufgabe, beim Starten des Verspannantriebs es zu schaffen, dass die gewünschte Phasenverschiebung zwischen den Polrädern der beiden Synchronmotoren hergestellt wird.
Zur Lösung wird auf das im Patentanspruch 5 angegebene Betriebsverfahren verwiesen. Optionale vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Geeignete Anwendungen: Anlaufverfahren zum Verspannen von spielbehafteten Maschinenelementen und -anordnungen, wie Getrieben, mechanisch geführten Übertragern und Koppelelementen, bevorzugt mit Spiel- und Bewegungsumkehr oder Anordnungen, die im ungespannten Zustand keine eindeutig bestimmte Lage einnehmen.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist vorgesehen für einen Antrieb zum Verspannen eines flexiblen oder spielbehafteten Objekts, indem an diesem wenigstens zwei mehrphasig betreibbare Elektromotoren (M1, M2) mit entgegengesetzten Kräften in Angriff gebracht werden. Es wird eine die Elektromotoren kontrollierende Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) verwendet. Zum Start oder Anlauf aus einem Ruhe- oder stromlosen Ausschaltzustand des Verspannantriebs wird zunächst nur einer (M1) der beiden Elektromotoren zu einer Verspannbewegung angesteuert, bis ein vorspezifiziertes erstes Stopp-Kriterium von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) erkannt wird. Optional wird danach der zweite Elektromotor (M2) zu einer Verspannbewegung angesteuert, bis ein vorspezifiziertes zweites Stopp-Kriterium von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) erkannt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zum geregelten Anlauf eines Antriebssystems, bestehend aus einem Antriebsmotor und einem Verspannmotor, aus einem stromlosen Zustand, umfasst die Schritte: zunächst Erzeugen des Verspannmoments, um das zu verspannende Element in eine definierte Lage zu bringen; danach Übergang in den vorgesehen Betrieb.
Gemäß einer Weiterbildung wird während der Ansteuerung des ersten oder zweiten Elektromotors (M1, M2) der jeweils andere Elektromotor kurzgeschlossen und/oder sonst von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) entkoppelt. Dem dient der Umstand, dass ein kurzgeschlossener Drehstrommotor sich wie eine elektrodynamische Bremse verhält. Dementsprechend wird während der Ansteuerung eines der Elektromotoren (M1, M2) der jeweils andere über Kurzschluss (S1, S2) seiner Phasenwicklungen als elektrodynamische Bremse verwendet. Zweckmäßig wird beim erfindungsgemäßen Betriebsverfahren als Stopp-Kriterium eine Erhöhung Motor-Stromfluss und/oder das Erreichen einer vorbestimmten Motor-Drehstellung und/oder ein vorbestimmter Zeitablauf verwendet. Erzielbare Vorteile der erfindungsgemäßen Mehr-Elektromotorenanordnung beziehungsweise des entsprechende Betriebsverfahrens bestehen in einer Einzelansteuerung zweier in Reihe geschalteter Motoren über einen einzigen Wechselrichter. Der einfach bewerkstelligbare Kurzschluss der Motorwicklungen ergibt ein wirksames Bremsmoment.
Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ist es zweckmäßig, bei der entsprechenden Mehr-Elektromotorenanordnung die Phasenwicklungen (U1, U2; V1, V2; W1, W2) eines oder beider Synchronmotoren (M1, M2) mit Schaltmitteln (S1, S2) zu versehen, die zur Entkopplung eines oder beider Elektromotoren (M1, M2) von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) angeordnet sind.
Eine erfindungsfunktionell angepasste Regelstruktur gemäß unabhängigen Anspruch 13 umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung eines Vorspann- bzw. Verspannmoment-Stellwerts oder -Sollwerts. Dessen Ausgang wird einerseits einem an sich bekannten Reglerausgang für das Motormoment überlagert; andererseits wird – mit Vorzeichenumkehr – der Verspannmomentsteller-Ausgang, zweckmäßig nach einer Gewichtung mit dem Kehrwert der Motor-Flussverkettung, als Längsstromkomponente zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. So kann er einem Soll-/Istwertvergleich mit einem gemessenen Istwert für die Längsstromkomponente unterzogen werden, und die Regeldifferenz wird wie an sich bekannt einem Stromregler zugeführt. Der aus Längs- beziehungsweise Querstromreglern jeweils resultierende d- bzw. q-Stellstrom wirkt in einem Synchronmotor flussbildend und im anderen Synchronmotor Drehmoment bildend.
Die technische Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit, insbesondere beim Anwendungsfall „Verspannmechanismus", lässt sich bei einer optionalen, vorteilhaften Erfindungsausbildung erhöhen, wonach die Quer- und Längsstrom-Sollwertausgänge jeweils mit einem Begrenzerglied versehen sind. Dieses ist jeweils zur Beschränkung des zugeordneten Sollwertausgangs auf einen Bereich mit einheitlichem Vorzeichen ausgebildet. Erfindungsgemäß sind die Vorzeichen der beiden Sollwertausgänge mittels der Begrenzerglieder einander entgegen gesetzt gehalten. Der damit erzielte Vorteil besteht darin, dass stets die mechanische Kopplung und damit eine Phasenverschiebung bzw. ein Versatzwinkel zwischen den magnetischen Flussverkettungen der beiden Synchronmotoren sichergestellt ist, so dass ein und derselbe Phasenstrom in einem Synchronmotor Drehmoment bildend und im anderen Synchronmotor flussbildend wirken kann. Darüber hinaus ist beim Anwendungsfall „Verspannen eines flexiblen Bandes oder sonstigen weichen Stranges" ein Durchhängen mit hoher Betriebssicherheit ausgeschlossen.
Um den Motormomentbereich möglichst voll ausnutzen zu können, wird eine Ausbildung des erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsreglers dahingehend vorgeschlagen, dass der Ausgang des Motormoment-Stell- und/oder Sollwertgebers nicht nur dem Zweig der Querstrom-Sollwertkomponente, sondern auch dem Zweig der Längsstrom-Sollwertkomponente vorzugsweise im vollen Umfang zugeführt wird. In Konkretisierung dieses Gedankens ist dafür eine Summierstelle vorgesehen, deren beiden Eingängen das Motorstellmoment und, mit negativem Vorzeichen, das Vorspannmoment zugeführt wird. Aus dem Differenzwert wird über eine reziproke Gewichtung mit einem Wert für eine Flussverkettung (der sich nach den Umständen des technischen Einzelfalls bestimmt) die Längsstromkomponente abgeleitet. Indem bei dieser besonders vorteilhaften Ausbildung der Motormoment-Stellwert nicht nur für die Erzeugung und Ausgabe der Querstrom- sondern auch der Längsstrom-Sollwertkomponente mit verarbeitet bzw. verwendet wird, lässt sich der an sich zur Verfügung stehende Momenten-Stellbereich zu 100% in beide Richtungen an- bzw. aussteuern bzw. ausschöpfen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Erfindungsausbildung wird ein Vorspannmoment eingestellt, das etwa 50% des maximal möglichen Motormoments entspricht. Damit lassen sich auch ohne die soeben erläuterte Abzweigung des Motormoment-Stellwerts in die Längsstrom-Sollwertkomponente wenigstens noch etwa 50% des maximal möglichen Motormoments in die beiden Richtungen an- bzw. aussteuern.
Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmalskombinationen, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in jeweils schematischer Darstellung:
1 eine gerätetechnische Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anwendung des Verspannens und Positionierens eines Zugseils,
2 eine gerätetechnische Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anwendung zum Verspannen eines Zahnradgetriebes,
3 eine elektrische Anordnung des Verspann-Antriebs,
4 ein Blockschema einer erfindungsfunktionell angepassten Regelstruktur,
5 ein Blockschema einer weiteren, erfindungsfunktionell angepassten Regelstruktur,
6a–6c Strom- und Flusszeigerdiagramme für verschiedene Betriebsfälle.
7 eine Elektromotorenanordnung zur Durchführung des Betriebsverfahrens
8 ein Geräteschaltbild zur Vorgehensweise nach dem Betriebsverfahren
9 eine alternative Elektromotorenanordnung zur Durchführung des Betriebsverfahrens
Gemäß 1 sind die jeweiligen (nicht gezeichneten) Rotoren zweier Synchronmotoren M1, M2 über einen für verschiedene Zwecke tauglichen Zugstrang 1 mechanisch gekoppelt. Werden die beiden Synchronmotoren M1, M2 mit einander entgegen gesetzten Drehmomenten angesteuert (siehe unten), werden über den jeweiligen Rotor der Synchronmotoren M1, M2 den Enden des Zugstranges 1 entgegen gesetzte Beschleunigungen b1, b2 erteilt. Daraus resultiert ein Verspannen des Zugstrangs 1, beispielsweise ein Zugseil oder -Band, so dass ein Durchhängen zwischen den Synchronmotoren M1, M2 vermieden ist. Zudem sind durch das Verspannen die jeweiligen Rotoren der Synchronmotoren M1, M2 in ihrer Winkellage zueinander festgelegt. Erfindungsgemäß erfolgt die Festlegung derart, dass die jeweiligen magnetischen Flussverkettungen Ψ_M1, Ψ_M2 (s. 6) zueinander eine Phasenverschiebung bzw. einen Winkelversatz von vorzugsweise 90° aufweisen. Zur Ermöglichung eines geregelten Antriebs der beiden Synchronmotoren sind einer oder beide mit einem Lagegeber 2 versehen, wobei es auf der Basis der Erfindung grundsätzlich ausreichend ist, dass nur einer der beiden Synchronmotoren M1, M2 von einem Lagegeber 2 abgetastet wird.
Gemäß 2 sind zum Verspannen eines Zahnradgetriebes zwei Synchronmotoren M1, M2 über mit ihren jeweiligen Rotor gekuppelte Zahnräder mit einem mittleren Zahnrad 3 in formschlüssigen Eingriff gebracht. Meist ist aber dieser Zahnradeingriff mit unerwünschtem Spiel zwischen den Zahnflanken behaftet, was die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt. Um das Zahnrad-Spiel einzuschränken oder zu vermeiden, werden wiederum den beiden Synchronmotoren M1, M2 gegenläufige Drehmomente bzw. Beschleunigungen b1, b2 erteilt. Dadurch gelingt es, dass die gegenüberliegenden Zahnflanken miteinander kämmender Zahnräder ohne Spiel direkt aneinander liegen, also verspannt sind. Dann liegt wiederum eine eindeutige Festlegung Synchronmotor-Rotoren in ihrer Winkellage zueinander vor. Im Übrigen gelten die Ausführungen zur 1 hier entsprechend.
Gemäß 3 sind die beiden Synchronmotoren M1, M2, vorzugsweise mit gleich großem Nennstrom, in Reihe geschaltet und von einem gemeinsamen Stromrichter 4, beispielsweise Wechselrichter, gespeist. Dazu sind die Anfänge der Motor-Phasenwicklungen W_U1, W_V1, W_W1 des ersten Drehstrom-Synchronmotors M1 mit den Stromrichter-Phasenanschlüssen U, V, W direkt verbunden. Die Enden der Motorphasenwicklungen des Synchronmotors M1 sind entsprechend der Reihenschaltung direkt mit den Anfängen der Motorphasenwicklungen W_U2, W_V2, W_W2 des zweiten Synchronmotors M2 verbunden. Die Enden der Phasenwicklungen des zweiten Synchronmotors M2 sind gemäß 3 in Sternschaltung zusammen gefasst, können aber auch in Dreieck-Schaltung verbunden sein. Der einzige Stromrichter 4 wird von einer Regeleinrichtung 5 angesteuert, die den beiden Synchronmotoren M1, M2 gemeinsam zugeordnet ist.
Gemäß 4 umfasst die Regeleinrichtung 5 in an sich bekannter Weise eine Geschwindigkeits-Soll-/Istwert-Vergleichsstelle 6, einen nachgeordneten Drehzahlregler 7, vorzugsweise ausgeführt als PI-Regler, mit Begrenzer 8 an seinem Ausgang sowie einen Stromregler 9. Die Ausgänge des Stromreglers 9 für die Quer- und Längsspannungskomponenten usq_ref, usd_ref dienen der Ansteuerung eines nachgeschalteten Pulsweitenmodulators PWM, der wie an sich bekannt der Ansteuerung des Strom- bzw. Wechselrichters 4 dient.
Zwischen dem Geschwindigkeitsregler 7, welcher einen Soll- bzw. Stellwert m_ref für ein Motordrehmoment am Ausgang liefert, und den Stromregler 9 sind eine Einrichtung 10 zur Ableitung einer Querstrom-Sollwertkomponente isq_ref, nachfolgend „Querstrom-Sollwertsteller" 10 genannt, und letzterem nachfolgend ein Querstrom-Soll/Istwert-Vergleicher 11 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 umfasst der Querstrom-Sollwertsteller 10 ein Multiplizierglied 12 zur Gewichtung des eingehenden Motormoment-Stellwerts m_ref mit dem Kehrwert einer Magnetflussverkettung Ψ sowie einen nachgeschalteten Plus-Begrenzer 13. Dieser schränkt die aus dem Multiplizierglied 12 hervorgehende Querstrom-Sollwertkomponente isq_ref auf einen Bereich positiven Vorzeichens ein.
Ferner ist zwischen dem Drehzahlregler 7 bzw. dem Motormomentsteller 7, 8, bestehend aus dem Ausgang des Drehzahlreglers 7 und dem Begrenzer 8, und dem Stromregler 9 ein Vorspannmomentsteller 14 angeordnet, dessen Ausgang einerseits einer ersten Summierstelle 15 zugeführt ist. Deren zweiter Eingang ist mit dem Ausgang des Motormomentstellers 7, 8 verbunden. Andererseits ist der Ausgang des Vorspannmomentstellers 14 über ein Vorzeichen-Umkehrglied 16 mit einem Längsstrom-Sollwertsteller 17 verbunden, über dessen Ausgang eine Längsstrom-Sollwertkomponente isd_ref einem Längsstrom-Soll/Istwert-Vergleicher 18 zugeführt wird. Der Längsstrom-Sollwertsteller 17 weist ebenfalls ein Multiplizierglied 12 zur reziproken Gewichtung des Stellwerts für ein Vorspannmoment mit der Magnetflussverkettung Ψ sowie einen ausgangsseitigen Minus-Begrenzer 19 auf. Letzterer schränkt – in analoger Funktion zum oben angesprochenen Plus-Begrenzer 13 – den aus dem Multiplizierglied 12 hervorgehenden Längsstrom-Sollwert isd_ref auf einen Bereich negativen Vorzeichens ein.
Durch die beiden Plus- bzw. Minus-Begrenzer ist vor allem im Hinblick auf den Anwendungsfall „Verspannmechanismus" sichergestellt, dass die im ersten Synchronmotor M1 und im zweiten Synchronmotor M2 jeweils Drehmoment bildenden Stromkomponenten zueinander entgegen gesetzte Vorzeichen aufweisen bzw. die beiden Motoren M1, M2 mit ihren Drehmomenten zur Verspannung gegeneinander arbeiten. Dazu ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 4 der Vorspannmomentsteller 14 auf die Ausgabe eines konstanten Stellwerts für das Vorspannmoment bias_torque eingestellt bzw. eingerichtet. Zweckmäßig beträgt der konstant eingestellte Vorspannungs-Stellwert etwa 50% des maximalen Motormoments, um noch einen verbleibenden Motormoment-Stellbereich von 50% für die An- bzw. Aussteuerung ausschöpfen zu können.
Gemäß 5 ist zur Erhöhung des verfügbaren Motormoment-Stellbereichs auf etwa 100% zwischen dem Motormomentsteller 7, 8 und dem Stromregler 9 noch zusätzlich eine zweite Summierstelle 20 angeordnet, deren einem Eingang der Ausgang des Vorspannmomentstellers 14 mit negativem Vorzeichen zugeführt ist. Dem anderen Eingang ist ohne Vorzeichen-Umkehr der Ausgang des Motormomentstellers 7, 8 bzw. der Motormoment-Stellwert m_ref zugeführt. Der Ausgang der zweiten Summierstelle 20 ist dem Längsstrom-Sollwertsteller 17 (siehe oben) zugeführt. Damit lässt sich der aus dem Drehzahlregler 7 ausgegebene Motormoment-Stellwert betragsmäßig in vollem Umfang sowohl für den Querstrom-Sollwertsteller 10 als auch für den Längsstrom-Sollwertsteller 17 verwenden. Der Stellwert für das Vorspannmoment bias_torque wird über die erste bzw. zweite Summierstelle 15, 20 additiv bzw. subtraktiv überlagert. Während beim Ausführungsbeispiel nach 4 sich ein einstellbarer Momentbereich für eine Beschleunigung von –50% bis +50% ergibt, wird mit dem Ausführungsbeispiel nach 5 ein einstellbarer Momentbereich für die Beschleunigung von –100% bis +100% erzielt. Zweckmäßig ist beim Ausführungsbeispiel nach 5 der Vorspannmomentsteller 14 von extern einstellbar ausgeführt.
Gemäß 6a–c ist die magnetische Flussverkettung Ψ_M2 des zweiten Synchronmotors M2 durch die mechanischen Kopplungen gemäß 1 und 2 nach vorheriger Drehausrichtung gegenüber der magnetischen Flussverkettung Ψ_M1 des ersten Synchronmotors M1 um ca. 90° elektrisch nacheilend versetzt. Die Statorstromkomponenten, nämlich die Querstromkomponenten i_q1 und i_q2 sowie die Längsstromkomponenten i_d1 und i_d2 des ersten beziehungsweise zweiten Synchronmotors M1 beziehungsweise M2, sind in Feldkoordinaten für die Betriebsfälle a – Stillstand – b – Beschleunigung nach links in Bezug auf 1 – und c – Beschleunigung nach rechts in Bezug auf 1 – dargestellt. Unter der Annahme, dass die beiden Synchronmotoren M1, M2 magnetisch etwa 100% symmetrisch sind, lässt sich für die drei Betriebsfälle a, b, c das Drehmoment für das Ausführungsbeispiel der 4 (einstellbarer Momentbereich: ±50%) wie folgt berechnen
Betriebsfall a – Stillstand
Ein Stillstand ergibt sich, wenn die Drehmomente der beiden Synchronmotoren M1, M2 betragsmäßig gleich und einander entgegen gesetzt gerichtet sind bzw. umgekehrte Vorzeichen aufweisen. Dazu wird vom Stromregler gemäß 4 die Vorgabe „Drehmoment 0" ausgegeben. Folglich wird sowohl dem Querstrom-Sollwertsteller 10 als auch dem Längsstrom-Sollwertsteller 17, letzterem mit umgekehrtem Vorzeichen, jeweils nur ein Stellwert gleichen Betrags für das Vorspannmoment bias_torque zugeleitet. Die im Stator der Synchronmotoren M1, M2 resultierenden, Drehmoment bildenden Querstromkomponenten i_q1, i_q2 sind zwar nach Betrag gleich, aber weisen umgekehrte Vorzeichen auf. Infolgedessen ergeben sich über die jeweiligen vektoriellen Produkte Ψ_M1X i_q1 (für den ersten Synchronmotor M1) und Ψ_M2X i_q2 (für den zweiten Synchronmotor M2) einander entgegengesetzte Drehmomente jeweils gleichen Betrags, woraus der Stillstand resultiert.
Betriebsfall b – Beschleunigung nach links in Bezug auf 1
Aufgrund eines über den Drehzahlregler 7 erzeugten und über den Motormomentsteller 7, 8 ausgegebenen Motormoment-Stellwert m_ref wird dem Querstrom-Sollwertsteller 10 gemäß 4 eine Vorgabe zur Erhöhung der Querstrom-Sollwertkomponente erteilt, indem in der ersten Summierstelle 15 auf den Wert für das Vorspannungsmoment bias_torque ein Motormoment-Stellwert aufaddiert wird. Die dadurch wesentlich erhöhte Querstrom-Sollwertkomponente isq_ref wird im ersten Synchronmotor M1 als erhöhter Querstrom iq1 mit entsprechender Drehmomenterhöhung (siehe oben genanntes, vektorielles Produkt mit Ψ_M1) interpretiert, während diese erhöhte Stromkomponente im zweiten Synchronmotor M2 nur als flussbildende Komponente id2 arbeitet. Infolgedessen bringt der erste Synchronmotor M1 zur Herbeiführung der Linksbewegung des Zugstrangs 1 ein höheres Drehmoment als der zweite auf, das maximal das Doppelte des Drehmoments des zweiten Synchronmotors M2 betragen kann.
Betriebsfall c – Beschleunigung nach rechts gemäß 1
Aufgrund entsprechender Motormoment-Stellwert-Ausgabe m_ref mit negativem Vorzeichen aus dem Motormomentsteller 7, 8 ergibt sich nach Addition der Vorspann-Moment-Vorgabe positiven Vorzeichens im Querstrom-Sollwertsteller 10 eine betragsmäßig erhebliche Erniedrigung der Querstrom-Sollwertkomponente, die in 6c durch einen entsprechend verkürzten Zeiger für die Querstromkomponente i_q1 veranschaulicht ist. Diese Stromkomponente arbeitet im zweiten Synchronmotor M2 als flussbildende Längsstromkomponente i_d2. Daneben gestrichelt gezeichnet ist der Stromvektor beziehungsweise -zeiger, welcher der konstant eingestellten Vorspannung bias_torque entspricht. Dieser schlägt sich über deren Zuführung zum Längsstrom-Sollwertsteller 17 in der konstant gebliebenen, Drehmoment bildenden Querstromkomponente i_q2 des zweiten Synchronmotors M2 nieder (ein entsprechender Stromwert wird im ersten Synchronmotor M1 nur als flussbildend verwendet). In diesem Fall beträgt das vom ersten Synchronmotor M1 aufgebrachte Drehmoment nur einen Bruchteil des vom zweiten Synchronmotor M2 aufgebrachten Drehmomentes, welches allein auf den fest eingestellten Vorspannmomentsteller 14 zurückgeht.
Gemäß 7 lassen sich von dem ersten beziehungsweise zweiten Motor M1, M2 die Wicklungen W2 des zweiten Motors M2, der nicht mit einem Lagegeber G beziehungsweise -sensor versehen ist, kurzschließen. Dies erfolgt durch Betätigen der zwischen den beiden Motoren M1, M2 angeordneten Schalteranordnung S2. Deren einzelne Schaltelemente verbinden die Enden der Wicklung W2 miteinander. Es verbleibt nur noch der Motor M1 mit Geber G am Wechselrichter angeschlossen. Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, in der Startphase einen der beiden Motoren kurzzuschließen oder sonst vonder Steuerung oder vom Regler zu entkoppeln, damit der andere Motor unabhängig von dem kurzgeschlossenen oder entkoppelten Motor gesteuert und verfahren werden kann, bis ein erstes Stoppkriterium von der Motorsteuerung erkannt wird.
Startmethodik: Der kurzgeschlossene Motor M2 verhält sich wie eine Bremse. Der andere beziehungsweise erste Motor M1 mit nun in Sternschaltung verbundenen Phasenwicklungsenden und Lage-Geber G wird wie ein normaler Servomotor angesteuert und zu einer bestimmten Position solange verfahren, bis ein erhöhter Stromfluss durch den Motor feststellbar ist (beispielsweise über Stromregler). Wenn die Stromstärke sich wesentlich erhöht, bedeutet das, dass ein verstärktes Gegenmoment als Last anliegt, beispielsweise aufgrund des kurzgeschlossenen und bremsenden Motors M2 (Stoppkriterium). Das bedeutet weiter, dass das Verspannobjekt, beispielsweise Getriebe oder Zugseil 1, gespannt ist. Ein in 8 gestrichelt angedeutetes teilweises Durchhängen der Endabschnitte L1, L2 des Zugseiles 1 wäre beseitigt.
Alternative Startmethodik: Zunächst wird der erste Motor M1 mit Geber G bei kurzgeschlossenem zweiten Motor M2 wie ein Servomotor bis zu eine bestimmte, vorspezifizierte Drehstellung verfahren (erstes Stoppkriterium). Ob jetzt sich das Verspannobjekt verspannt oder nicht, ist noch irrelevant. In einem zweiten Schritt wird dann der zweite Motor M2 von seinem Kurzschluss befreit (beispielsweise durch Lösen der zwischen den beiden Motoren M1, M2 angeordneten Schalteranordnung S2) und solange verfahren, bis ein erhöhter Stromfluss durch den ersten Motor M1 feststellbar ist (zweites Stoppkriterium). Dies bedeutet, dass erhöhte Momente zu überwinden sind, und das Verspannobjekt gespannt ist.
Gemäß 7 wird zum Anfahren der zweite Motor M2 ohne Geber kurzgeschlossen. Dann wird der erste Motor M1 solange verfahren, bis sich ein erhöhter Stromfluss feststellen lässt (Stoppkriterium). Dieser erhöhte Stromfluss tritt dann auf, wenn der erste Motor M1 stark ziehen muss, z. B. gegen den als Kurzschluss-Bremse arbeitenden zweiten Motor M2. Das Ausführungsbeispiel gemäß 7 gibt zwar schon das Grundprinzip der Erfindung wieder, es bestehen aber noch einige Nachteile, z. B. im Hinblick auf flexible Zugseile 1, wie in 8 gezeichnet.
Auf dem in 8 gezeichneten Zugseil 1 ist ein mittlerer Abschnitt A markiert, der nicht verstellt oder versetzt werden darf. Die Endabschnitte L1, L2, zwischen welchen dieser Abschnitt A liegt, hängen vielfach in der Startphase zunächst lose durch. Im ersten Schritt des Anfahrens wird der Motor M1 mit Geber entsprechend wie ein Servomotor auf eine bestimmte Position (beispielsweise vorherige Endposition beim Ausschalten) verfahren (erstes Stoppkriterium). Die locker hängenden Zugseil-Endabschnitte L1, L2 (in 8 gestrichelt gezeichnet) können, aber müssen noch nicht gespannt sein.
Weitere Verfeinerung der erfindungsgemäßen Anfahrmethodik: Beim Motor M1 lässt sich aufgrund dessen Lagegeber G die beim vorherigen Ausschalten eingenommene Endposition speichern, bei welcher der Motor M1 ausgeschaltet wurde. Beim erneuten Einschalten wird zunächst diese frühere Endposition wieder angefahren (erstes Stoppkriterium). Dabei kann sich ein anfangs lockerer, erster Endabschnitt L1 auch erneut spannen. Der andere, lockere Enabschnitt L2 kann dabei noch locker bleiben; er ist mit dem Motor M2 (ohne Geber) gekoppelt.
Bei dem Verspannmechanismus gemäß 8 besteht die Anforderung, dass der mittlere Abschnitt A nicht in Längsrichtung hin und her verschoben wird, sondern straff bleibt. Dieser Strang endet in den beiden lockeren Abschnitten L1 und L2. Eine Verfeinerung auf der Basis der Erfindung besteht nun in folgendem (siehe auch 9 mit dortigem Text):
Zunächst wird eine erste Schalteranordnung S1 gemäß 9 geschlossen mit der Folge, dass die Wicklungen W2 des Motors M2 (ohne Geber) überbrückt werden. Dazu ist jeder Phasenwicklung ein Schaltelement der ersten Schalteranordnung S1 zugeordnet. Es lässt sich nur noch der Motor M1 mit Geber G steuern. Dieser wird nun so angesteuert, dass der Servomotor M1 bis zu einem früher verlassenen Endpunkt zurückverfahren wird (erstes Stoppkriterium). Dabei wird der eine lockere Endabschnitt L1 gespannt. Der mittlere Abschnitt A darf aufgrund bestimmter Umtände nicht verschoben oder versetzt werden. Der zweite lockere Endabschnitt L2 bleibt zunächst locker. Im nächsten Schritt wird nun die erste Schalteranordnung S1 geöffnet und die zweite, zwischen den beiden Motoren M1, M2 angeordneten Schalteranordnung S2 beziehungsweise deren Schaltelemente zwischen den Phasen U2, V2, W2 geschlossen. Dann ist der erste Servomotor M1 kurzgeschlossen und wirkt als elektrodynamische Bremse. Das hat den Vorteil, dass der eine Endabschnitt L1 gespannt bleibt. Auch für den zweiten „Sondermotor" M2 ist in irgend einer Form eine Lageerkennung zweckmäßig, sei es mit einem extra Sensor, sei es softwaremäßig mittels Injektionsverfahren und/oder Motormodell (so genanntes „sensorloses Verfahren"). Der Sondermotor M2, auch „Slave" genannt, wird nun solange verfahren, und zwar über eine Lageerkennung in die richtige Richtung, bis sich über die Stromregelung ein erhöhter Stromfluss aufgrund erhöhten Lastmomentes erkennen lässt (zweites Stoppkriterium). Dann ist der Verspannmechanismus voll wirksam und die Anlaufprozedur kann in Normalbetrieb übergehen.
Gemäß 9 umfasst das Antriebssystem einen Antriebsmotor und einem Verspannmotor, wobei einer der beiden Motoren M1 vorzugsweise ein Standard-Synchronmotor mit Geber G ist. Der andere Motor ist beispielsweise ein Sondermotor M2, dessen Wicklungsenden der Wicklungen W2 beispielsweise an ein Klemmbrett herausgeführt sind. Die Wicklungen W2 des Sondermotors M2 können über die erste Schalteranordnung (S1) kurzgeschlossen beziehungsweise überbrückt werden können. Ferner ist eine zweite Schalteranordnung (S2) vorgesehen, die es ermöglicht, die Verbindung zwischen den beiden Motoren allpolig kurz zu schließen. Dieser Kurzschluss wird vorzugsweise über Schaltelemente realisiert wird, die in den Sondermotor M2 integriert sind, so dass bei einer Reihenschaltung der beiden Motoren M1, M2 durch die Kurschluss-Schaltungen entweder der Motor M1 oder Motor M2 getrennt angesteuert werden kann.

M1: erster Synchronmotor
M2: zweiter (Sonder-)Motor
1: Zugstrang
b1, b2: Beschleunigung
Ψ_m1, Ψ_m2: Flussverkettung des ersten bzw. zweiten Synchronmotors
2: Lagegeber
3: Zahnrad
4: Stromrichter
W_U1,2: Motor-Drehstromphasenwicklung
W_V1,2: Motor-Drehstromphasenwicklung
W_W1,2: Motor-Drehstromphasenwicklung
U, V, W: Stromrichter-Phasenanschlüsse
5: Regeleinrichtung
6: Geschwindigkeits-Soll-/Istwert-Vergleichsstelle
7: Drehzahlregler
8: Begrenzer
9: Stromregler
usq_ref: Querspannungskomponente
usd_ref: Längsspannungskomponente
PWM: Pulsweitenmodulator
m_ref: Motormoment-Stellwert
isq_ref: Querstrom-Sollwertkomponente
10: Querstrom-Sollwertsteller
11: Querstrom-Soll-/Istwert-Vergleicher
12: Multiplizierglied
Ψ: Magnetflussverkettung
13: Plusbegrenzer
7, 8: Motormomentsteller
14: Vorspannmomentsteller
15: erste Summierstelle
16: Vorzeichen-Umkehrglied
17: Längsstrom-Sollwertsteller
18: Längsstrom-Soll/Istwertvergleicher
isd_ref: Längsstrom-Sollwertkomponente
19: Minus-Begrenzer
bias_torque: Vorspannmoment
20: zweite Summierstelle
i_q1, i_q2: Querstromkomponenten des ersten bzw. zweiten Synchronmotors M1 bzw. M2
i_d1, i_d2: Längsstromkomponente
V: Winkelversatz
G: Geber
W1, W2: Motor-Wicklung
L1, L2: Endabschnitte des Zugseiles 1
U, V, W: Phasen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10103667 A1 [0004]

Claims

Feldorientiertes Regelverfahren für einen elektrischen Antrieb mit mehreren Elektromotoren, zur Realisierung eines Verspannmechanismus insbesondere für Strang- und/oder Getriebemittel (1, 3), unter Verwendung von Messungen an einem mehrphasigen Motor-Iststrom (U, V, W), deren Messwerte in Abhängigkeit von einem magnetischen Rotor-Feld- beziehungsweise Flusswinkel in ein rotorflussbezogenes d, q-Koordinatensystem zu einer Längsstromkomponente und einer Querstromkomponente transformiert werden, und die Quer- und Längsstromkomponenten vom Ist-Strom einem Vergleich mit vorgegebenen Quer- und Längsstromkomponenten (isq_ref, isd_ref) eines Stromsollwerts unterworfen werden, mit folgenden Schritten: a) als Elektromotoren werden zwei Synchronmotoren (M1, M2) verwendet b) die Polräder oder Rotoren der beiden Synchronmotoren (M1, M2) werden zueinander derart verdreht oder ausgerichtet und dann mechanisch gekoppelt, dass sich zwischen ihren magnetischen Flussverkettungen (Ψ_m1, Ψ_m2) oder sonstigen Magnetflüssen ein Winkelversatz (V) bildet c) die beiden Synchronmotoren werden von einem gemeinsamen Stromrichter aus mit jeweils denselben Phasenströmen gespeist beziehungsweise durchflossen d) für ein Vorspannmoment wird ein Soll- oder Stellwert vorgegeben und einem von einem Regler (7) ausgegebenen Motormoment-Stellwert (m_ref) überlagert, woraus eine Querstromkomponente (isq_ref) für den Stromsollwert abgeleitet wird e) aus dem vorgegebenen Vorspannmoment-Stellwert (m_ref) wird mit Vorzeichen-Umkehr eine Längsstromkomponente (isd_ref) für den Stromsollwert abgeleitet.
Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Dauerbetrieb der Vorspannmoment-Stellwert (m_ref) und/oder Winkelversatz (V) konstant gehalten werden.
Regelverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromkomponente im ersten Synchronmotor (M1) als Drehmoment bildende Querstromkomponente (i_q1) oder als Fluss bildende Längsstromkomponente (i_d1) und gleichzeitig im zweiten Synchronmotor (M2) als Fluss bildende Längsstromkomponente (i_d2) beziehungsweise als Drehmoment bildende Querstromkomponente (i_q2) verwendet wird.
Regelverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, jeweils nach Betrag und Phase, die Querstromkomponente (i_q1) im ersten Synchronmotor (M1) mit der Längsstromkomponente (i_d2) im zweiten Synchronmotor (M2), und die Längsstromkomponente (i_d1) im ersten Synchronmotor (M1) mit der Querstromkomponente (i_q2) im zweiten Synchronmotor (M2) übereinstimmen.
Betriebsverfahren für einen Antrieb zum Verspannen eines flexiblen oder spielbehafteten Objekts, indem an diesem wenigstens zwei mehrphasig betreibbare Elektromotoren (M1, M2) mit entgegengesetzten Kräften in Angriff gebracht werden, unter Verwendung einer die Elektromotoren kontrollierenden Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G), dadurch gekennzeichnet, dass zum Start oder Anlauf aus einem Ruhe- oder stromlosen Ausschaltzustand des Verspannantriebs einer (M1) der beiden Elektromotoren zu einer Verspannbewegung angesteuert wird, bis ein vorspezifiziertes, gegebenenfalls erstes Stopp-Kriterium von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) erkannt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass danach der zweite Elektromotor (M2) zu einer Verspannbewegung angesteuert wird, bis ein vorspezifiziertes zweites Stopp-Kriterium von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) erkannt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ansteuerung des ersten oder zweiten Elektromotors (M1, M2) der jeweils andere Elektromotor kurzgeschlossen und/oder sonst von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) entkoppelt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Entkopplung eines oder beider Elektromotoren (M1, M2) von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) bei einem der Elektromotoren (M1) die Phasenwicklungen (W1) an den beiden jeweiligen Enden vorzugsweise in Stern- oder Dreieckschaltung kurzgeschlossen werden, und beim anderen Elektromotor (M2) die jeweiligen Phasenwicklungen überbrückt und/oder an ihren beiden Enden verbunden werden.
Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenhzeichnet, dass während der Ansteuerung eines der Elektromotoren (M1, M2) der jeweils andere über Kurzschluss (S1, S2) seiner Phasenwicklungen als elektrodynamische Bremse verwendet wird.
Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stopp-Kriterium eine Erhöhung Motor-Stromfluss und/oder das Erreichen einer vorbestimmten Motor-Drehstellung und/oder ein vorbestimmter Zeitablauf dient.
Elektromotorenanordnung, insbesondere für einen Verspannmechanismus mit Strang- und/oder Getriebemitteln (1, 3), mit wenigstens zwei jeweils mehrphasig betreibbaren Elektromotoren, insbesondere zur Durchführung des Regelverfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) die zwei Elektromotoren sind als Synchronmotoren (M1, M2) realisiert, b) die Synchronmotoren sind über ihre Phasenwicklungen (W_U1,U2, W_V1,V2, W_W1,W2; U1, U2; V1, V2; W1, W2) miteinander in Reihe geschaltet c) die Synchronmotoren (M1, M2) sind zu ihrer Speisung mit einem gemeinsamen Stromrichter (4) gekoppelt, d) die Synchronmotoren (M1, M2) sind mechanisch über ihre Polräder beziehungsweise Rotoren derart miteinander gekoppelt, dass sie in ihrer Winkellage zueinander versetzt sind, und/oder deren magnetische Flussverkettungen (Ψ_m1, Ψ_m2) oder sonstige magnetische Ausrichtungen miteinander einen Versatzwinkel (V) einschließen.
Elektromotorenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelversatz (V) der Polräder beziehungsweise Rotoren und/oder deren magnetischen Ausrichtungen zueinander 90 Grad beträgt oder zwischen 0 Grad und ±180 Grad liegt.
Elektromotorenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kopplung zwischen den Rotoren oder Polrädern mittels Strang- oder Getriebemittel (1, 3) realisiert ist.
Elektromotorenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strang- oder Getriebemittel (1, 3) einen stramm gezogenen Zugstrang oder kämmende und über ihre aneinander liegenden Zahnflanken verspannte Zahnräder umfassen.
Elektromotorenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster der beiden Synchronmotoren (M1, M2) über seine Phasenwicklungen (W_U1, W_V1, W_W1) direkt mit dem Stromrichter (4) verbunden ist, und der zweite Synchronmotor (M2) vom Stromrichter (4) aus mittelbar über den ersten Synchronmotor (M1) gespeist beziehungsweise bestromt ist.
Elektromotorenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Synchronmotor, der in einer Synchronmotor-Reihe gegenüber dem gemeinsamen Stromrichter an letzter Stelle angeordnet ist, die Phasenwicklungen (W_U2, W_V2, W_W2) in Stern- oder Dreieckschaltung verbunden sind, während bei dem oder den anderen, in der Reihe nicht an der letzten Stelle angeordneten Synchronmotoren (Mit1) die Anfänge und Enden ihrer Phasenwicklungen (W_U1, W_V1, W_W1) zur externen Verbindung mit dem Stromrichter (4) oder einem benachbarten Synchronmotor (M2) zur Verfügung gestellt sind.
Elektromotorenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung eines Antriebsregelkreises einer oder beide Synchronmotoren (M1, M2) mit einer Einrichtung (2) zur Lageerkennung versehen sind, deren Ausgang einer den Stromrichter (4) ansteuernden Regeleinrichtung (5) zugeführt ist.
Elektromotorenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Synchronmotoren (M1, M2) eine gemeinsame, einen Lage- und/oder Geschwindigkeitsregler (7) umfassende Regeleinrichtung (5) zugeordnet ist, die mit dem Stromrichter (4, WR) zu dessen Ansteuerung gekoppelt ist.
Elektromotorenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zwei jeweils mehrphasig betreibbaren Elektromotoren mit einer gemeinsamen Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) gekoppelt sind, insbesondere zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenwicklungen (U1, U2; V1, V2; W1, W2) eines oder beider Synchronmotoren (M1, M2) mit Schaltmitteln (S1, S2) versehen sind, die zur Entkopplung eines oder beider Elektromotoren (M1, M2) von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) angeordnet sind.
Elektromotorenanordnung Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (S1, S2) ganz oder teilweise als Motorwicklungen (W2) an ihren Enden überbrückende Schalter (S2) oder als unterschiedliche Phasen (U2, V2, W2) verbindende Schalter (S2) ausgebildet sind.
Elektromotorenanordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (S1, S2) von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (WR, G) betätigbar ausgebildet sind.
Lage- und/oder Geschwindigkeitsregler zur feldorientierten Regelung eines elektrischen Antriebs, insbesondere einer Elektromotorenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit wenigstens einer Einrichtung (7, 8) zur Berechnung und Ausgabe eines Motormoment-Stellwerts (mit_ref) (nachfolgend „Motormomentsteller" genannt), aus deren beziehungsweise dessen Ausgang basierend auf ein rotorflussbezogenes d,q-Koordinatensystem eine Querstrom-Sollwertkomponente (isq_ref) für einen nachgeordneten Querstromregler abgeleitet und ausgegeben wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14) zur Erzeugung eines Vorspannmoment-Stellwerts (nachfolgend „Vorspannmomentsteller" genannt), deren beziehungsweise dessen Ausgang einerseits mit dem Ausgang des Motormomentstellers (7, 8) verknüpft und andererseits einer Einrichtung (17) zur Ableitung einer Längsstrom-Sollwertkomponente (isd_ref) (nachfolgend „Längsstrom-Sollwertsteller" genannt) für einen nachgeordneten Längsstromregler zugeführt ist.
Regler nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der Motormomentsteller (7, 8) und Vorspannmomentsteller (14) miteinander additiv, insbesondere über eine Summierstelle (15), verknüpft sind.
Regler nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspannmomentsteller-Ausgang mit dem Längsstrom-Sollwertsteller (1/ψ) zur Ableitung des Längsstrom-Sollwerts (isd_ref) über ein Vorzeichen-Umkehrglied (–1) verbunden ist.
Regler nach einem der Ansprüche 22–24, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Eingang des Längsstrom-Sollwertstellers (1/ψ) zusätzlich zum Vorspannmomentsteller-Ausgang der Ausgang des Motormomentstellers (7, 8) gekoppelt ist.
Regler nach einem der Ansprüche 22–25, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang des Längsstrom-Sollwertstellers (17) eine Summierstelle (20) angeordnet ist, worüber der Ausgangswert des Vorspannmomentstellers (14) vom Ausgangswert des Motormomentstellers (7, 8) subtrahiert wird, und das Subtraktionsergebnis dem Eingang des Längsstrom-Sollwertstellers (17; 12, 1/ψ, 19) zugeführt wird.
Regler nach einem der Ansprüche 22–26, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspannmomentsteller (14) einen vorzugsweise extern betätigbaren Eingang zur Einstellung des Vorspannmoments besitzt.
Regler nach einem der Ansprüche 22–27, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Vorspannmomentstellers (14) mit Vorzeichen-Umkehr (16) einer Summierstelle (20) zugeführt ist, deren zweiter Eingang mit dem Ausgang des Motormomentstellers (7, 8) verbunden ist, und der Summierstellen-Ausgang mit dem Eingang des Längsstrom-Sollwertstellers (17; 12, 1/ψ, 19) zur Ableitung des Längsstrom-Sollwerts (isd_ref) verbunden sind.
Regler nach einem der Ansprüche 22–28, dadurch gekennzeichnet, dass die Quer- und Längsstrom-Sollwertausgänge (isq_ref, isd_ref) jeweils mit einem Begrenzerglied (13, 19) versehen sind, die zur Beschränkung der Ausgänge auf Bereiche mit zueinander entgegengesetzten Vorzeichen ausgebildet sind.
Regler nach einem der Ansprüche 22–29, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspannmomentsteller (14) dazu eingestellt und/oder ausgebildet ist, einen 50 Prozent oder etwa 50 Prozent des maximal möglichen Motormoments entsprechenden Stellwert an den jeweiligen Eingang der Einrichtungen (10, 19, 1/ψ) zur Ableitung eines Querstrom- und/oder Längsstrom-Sollwerts (isq_ref, isd_ref) auszugeben.