DE102011121530A1

DE102011121530A1 - Verfahren zum Steuem einer Maschine mit Momentenvorsteuerung und entsprechend gesteuerte Maschine

Info

Publication number: DE102011121530A1
Application number: DE102011121530A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wahler; Emad El Din Ali
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Maschine, insbesondere einer Maschine mit mehreren Antriebseinrichtungen (2, 4), wobei eine erste Antriebseinrichtung (2) einen ersten anzutreibenden (12) Körper entlang eines ersten vorgegebenen und periodisch wiederkehrenden Bewegungspfads (P1) mit einem vorgegebenen ersten Antriebsmomentenverlauf antreibt, wobei die erste Antriebseinrichtung (2) derart gesteuert wird, dass der erste Bewegungspfad (P1) im Wesentlichen einem vorgegebenen Soll-Bewegungspfad entspricht und der erste Antriebsmomentenverlauf für diesen ersten Antriebsmomentenverlauf charakteristische und periodisch wiederkehrende Momentenverlaufsänderungen aufweist. Erfindungsgemäß werden diese periodisch wiederkehrenden Momentenverlaufsänderungen durch eine vorab festgelegte Vorsteuerung des ersten Antriebsmomentenverlaufs zumindest teilweise kompensiert, um so einen Schleppfehler gegenüber dem Soll-Bewegungspfad zu verringern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Maschine und eine entsprechend gesteuerte Maschine. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Druckmaschinen beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass ein Einsatz der Erfindung auch bei anderen Maschinen denkbar ist.
Derartige moderne Druckmaschinen weisen in der Regel mehrere Antriebe auf, die unterschiedliche Walzen antreiben. Für hochpräzise Druckmaschinen wird dabei ein sehr kleiner Schleppfehler benötigt, der zum Teil mit klassischer Regelung nicht mehr erreichbar ist. Zur Regelung der einzelnen Antriebe werden dabei üblicherweise die Positionen der jeweiligen Achsen bzw. Wellen miteinander abgeglichen. Genauer werden die Maschinenachsen von Direktantrieben geregelt und jeder Zylinder verfügt über Druckbereiche, auf denen die Papiere festgeklemmt sind. Daneben treten auch Kanalschläge auf, in denen kein Druckvorgang erforderlich ist. Allgemein kann es bei derartigen Maschinen dazu kommen, dass die einzelnen Kräfte oder auf die angetriebenen Elemente wirkenden Momente stark schwanken. Durch diese zum Teil starken Momentenschwankungen kann es zu mit unter erheblichen Zielschleppfehlern kommen.
Doch auch für einzelne Antriebe wird oftmals eine möglichst hohe Positionsgenauigkeit gefordert bzw. ein möglichst kleines Abweichen von bestimmten Sollpositionen. In diesen Fällen wird unter einem Schleppfehler ein Abweichen einer Ist-Position eines Antriebs von einer Sollposition dieses Antriebs verstanden.
Allein mit einer normalen Einstellung des gesamten Regelkreises (PI-Regler, oder Strom-, Geschwindigkeits- und Lageregler) kann dieser Zielschleppfehler nicht ausgeglichen bzw. erfüllt werden, selbst, wenn ein Tuning den K_P (Verstärkung des Geschwindigkeitsreglers) sowie K_V (Verstärkung des Lagereglers) maximiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welches auch unter den genannten Bedingungen eine Verringerung des Schleppfehlers zwischen den Antrieben oder eines Schleppfehlers eines Antriebs gegenüber seiner Sollposition ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Maschine, insbesondere einer Maschine mit mehreren Antriebseinrichtungen treibt eine erste Antriebseinrichtung einen ersten anzutreibenden Körper entlang eines ersten vorgegebenen und periodisch wiederkehrenden Bewegungspfads mit einem vorgegebenen ersten Antriebsmomentenverlauf an, wobei die erste Antriebseinrichtung derart gesteuert wird, dass der erste Bewegungspfad im Wesentlichen einem vorgegebenen Soll-Bewegungspfad entspricht und der erste Antriebsmomentenverlauf für diesen ersten Antriebsmomentenverlauf charakteristische und periodisch wiederkehrende Momentenverlaufsänderungen aufweist. Dies bedeutet, dass ein bestimmter Soll-Bewegungspfad erreicht werden soll, wobei insbesondere hinsichtlich dieses Sollbewegungspfades auch vorgegebene Soll-Geschwindigkeiten und Soll-Beschleunigungen eingehalten werden sollen.
Erfindungsgemäß werden diese periodisch wiederkehrenden Momentenverlaufsänderungen durch eine vorab festgelegte Vorsteuerung des ersten Antriebsmomentenverlaufs zumindest teilweise kompensiert, um so einen Schleppfehler (gegenüber dem Soll-Bewegungspfad) zu verringern.
Dies bedeutet, dass ein bestimmter Soll-Bewegungspfad erreicht werden soll, wobei insbesondere hinsichtlich dieses Sollbewegungspfades auch vorgegebene Soll-Geschwindigkeiten und Soll-Beschleunigungen eingehalten werden sollen. Ohne die Vorsteuerung kann jedoch dieser Soll-Bewegungspfad, obwohl dies wünschenswert wäre aufgrund der Momentenverlaufsänderungen nicht eingehalten werden.
Bei dem Schleppfehler handelt es sich um ein Abweichen zwischen einem Istverlauf des Antriebs und einem Sollverlauf.
Bei den Bewegungspfaden kann es sich einerseits um eine beispielsweise lineare oder Kurvenbewegung eines anzutreibenden Körpers handeln. Insbesondere kann es sich jedoch bei dem Bewegungspfad auch um eine Drehbewegung beispielsweise einer Achse oder Welle um einen vorgegebenen Drehwinkel handeln.
Vorzugsweise ist die Momentenverlaufsänderung durch die Merkmale der Maschine bedingt. Dabei weist die Momentenverlaufsänderung insbesondere große Änderungen der Momente (bezüglich eines Sollwerts) auf, insbesondere Änderungen von mehr als 10% innerhalb von 0,01 sec, vorteilhaft von mehr als 20% innerhalb von 0,000 sec.
Während bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren üblicherweise auf auftretende Momentenänderungen reagiert wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bereits vorab Kompensationen für die auftretenden Momentenschwankungen einzusetzen. Daher eignet sich das Verfahren insbesondere dann, wenn periodische Momentenverläufe oder Momentenverlaufsänderungen auftreten oder diese zumindest vorbestimmbar sind.
Es wird also eine zu erwartende Momentenänderung vorhergesehen und durch vorab bereits festgelegte Parameter kompensiert.
Es ist daher bekannt, dass die Momente einen bestimmten Verlauf aufweisen. Dieser wird bereits durch die besagte Voreinstellung kompensiert. Damit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine prädiktive Steuerung der Antriebsmomente oder allgemein der physikalischen Bedingungen, welche für die Bewegungen charakteristisch sind, wie Kräfte, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und dergleichen erfolgt.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren treibt eine zweite Antriebseinrichtung einen zweiten anzutreibenden Körper entlang eines zweiten vorgegebenen und periodisch wiederkehrenden Bewegungspfades mit einem vorgegebenen zweiten vorgegebenen Antriebsmomentenverlauf an und durch eine Abstimmung des ersten Antriebsmomentenverlaufs an den zweiten Antriebsmomentenverlauf wird die Bewegung des ersten anzutreibenden Körpers an die Bewegung des zweiten anzutreibenden Körpers angepasst und so werden diese periodisch wiederkehrenden Momentenverlaufsänderungen durch eine vorab festgelegte Vorsteuerung des ersten Antriebsmomentenverlaufs zumindest teilweise kompensiert, um so einen Schleppfehler zwischen den Bewegungspfaden zu verringern.
Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens sind wenigstens zwei Antriebe vorgesehen, wobei ein Antrieb (Folgeachse) dem anderen Antrieb (Leitachse) folgt, Der Sollbewegungspfad wird hier durch den anderen d. h. den zweiten Antrieb vorgegeben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch entsprechend auf Systeme mit mehreren Antrieben anwendbar.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird die erste Antriebseinrichtung gesteuert und genauer geregelt. Vorteilhaft wird auch die zweite Antriebseinrichtung von einer Steuerungseinrichtung geregelt, wobei die erste Antriebseinrichtung bevorzugt auch in Abhängigkeit von der zweiten Antriebseinrichtung geregelt wird.
Vorteilhaft ist das Profil der Momentenverlaufsänderungen, im Folgenden auch als Störprofil bezeichnet, praktisch abschätzbar. Es wird also vorab auf eine zu erwartende Störung „reagiert” (genauer, diese zu erwartende Störung, bzw. die zu erwartende Schwankung des Momentenverlaufs wird bereits vorab berücksichtigt). Vorteilhaft hängt die Bewegung des zweiten angetriebenen Körpers von der Bewegung des ersten angetriebenen Körpers ab.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Momentenvorsteuerung grundsätzlich auch für einzelne Antriebe anwendbar ist, d. h. ohne einen Antrieb, der in Abhängigkeit von einem weiteren Antrieb gesteuert wird. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Beschreibung üblicherweise von einem Momentenverlauf gesprochen wird. Unter dem Begriff Momente werden jedoch auch diesen entsprechende Größen oder aus diesen ableitbare Größen verstanden wie etwa Kräfte oder Impulse. Weiterhin wird der Begriff Momente auch für andere Bewegungen als Drehbewegungen verwendet.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren werden für die Vorsteuerung charakteristische Vorsteuerungsdaten auf Basis eines Einlernbetriebs ermittelt. Dabei ist es möglich, dass ein separater Einlernbetrieb vorgesehen ist, in dem die einzelnen Daten, beispielsweise Drehmomente und dergleichen, ermittelt werden. Es wäre jedoch auch möglich, dass im laufenden Betrieb die Daten aus einer vorhergehenden Periode wiederum für die nächste Periode der Bewegung zugrunde gelegt werden. Vorteilhaft läuft daher der Einlernbetrieb zumindest zeitweise parallel bzw. zeitgleich zu dem Arbeitsbetrieb der Maschine ab.
Dabei ist es möglich, dass im Rahmen des besagten Einlernbetriebs die Daten für einen Lageistwert eingelesen werden und bevorzugt auch für die jeweils auftretenden Momente. Dieser Einlernbetrieb wird dabei ebenfalls an der besagten ersten Antriebseinrichtung vorgenommen um möglichst genau solche Momentenverläufe zu erfassen, die für den von der ersten Antriebseinrichtung angetriebenen ersten Körper charakteristisch sind. Für die Momentenvorsteuerung können die Daten verwendet werden, die in einer vorangegangenen Perdiode aufgenommen wurden. Vorteilhaft werden diejenigen Daten verwendet, die in mehreren vorangegangenen Perioden ermittelt wurde, beispielsweise die Daten aus 5 oder mehr vorangegangenen Perioden. Durch Mittelung über diese Werte kann eine genauere Momentenvorsteuerung des Antriebs erreicht werden.
In diesem Falle wäre der Einlernbetrieb in den Arbeitsbetrieb integriert. Dabei wäre es möglich, mit einer vorgegebenen Anzahl an Stützpunkten und damit mit einer vorbestimmten Genauigkeit einen Momentenverlauf aufzunehmen. Dabei ist jedoch die Anzahl dieser Stützpunkte und auch eine entsprechende Filterordnung speicherbedingt begrenzt. Dies kann gegebenenfalls dazu führen, dass bei sehr komplexen Lastprofilen die zu erreichende Genauigkeit abnimmt. Bevorzugt wird zur Ermittlung der Vorsteuerungsdaten der anzutreibende Körper mehrmals entlang seines vorgegebenen Bewegungspfades bewegt. Falls es sich jedoch um einen Drehantrieb handelt, wird zur optimalen Performanz die betreffende Achse mit mehreren Umdrehungen bewegt. Die Anzahl der Umdrehungen ist dabei vorteilhaft größer als die Filterordnung.
Entsprechend kann dann auch ein ermittelter Lage-Istwert mit einem Modulo 360° gewichtet werden. Das heißt es kann die Anzahl der Umdrehungen berücksichtigt werden. Vorteilhaft wird die Erfindung weiterhin für Antriebe mit einer Achsengeschwindigkeit von weniger als 30.000 U/min realisiert.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird wenigstens ein anzutreibender Körper drehend bewegt. Vorteilhaft werden beide anzutreibenden Körper drehend bewegt. Vorteilhaft sind neben den beiden Antrieben weitere Antriebe vorgesehen, wobei besonders bevorzugt auch diese weiteren Antriebe in Abhängigkeit von dem ersten Antrieb gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für andere Arten von Bewegungen anwendbar, etwa wiederkehrende Schwenkbewegungen oder wiederkehrende Linearbewegungen. Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren handelt es sich bei wenigstens einem angetriebenen Körper um eine drehbare Welle. Vorteilhaft handelt es sich bei beiden angetriebenen Körpern jeweils um angetriebene Wellen.
Dabei kann es sich bei dem ersten anzutreibenden Körper um eine Leitachse handeln und bei dem zweiten anzutreibenden Körper um eine Folgeachse. Allgemein handelt es sich jedoch, wie oben erwähnt, um einen eine Bewegung periodisch wiederholenden Antrieb.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren handelt es sich bei wenigstens einer Antriebseinrichtung um einen Direktantrieb. Das heißt beispielsweise, dass die Antriebseinrichtung direkt den anzutreibenden Körper, wie beispielsweise eine Achse, antreibt.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren weist die erfindungsgemäße Vorsteuerung einen Momentenverlauf auf, der auf den Antriebsmomentenverlauf additiv aufgeschaltet wird. Dies bedeutet, dass grundsätzlich ein bestimmter Momentenverlauf für die Steuerung zugrundegelegt wird und eine Korrektur durch den besagten additiven Momentenverlauf erfolgt. Vorteilhaft bewirkt der additive Momentenverlauf nur in einem bestimmten Bereich des Bewegungsprofils eine Anpassung der Momente. Der Momentenverlauf vor Aufschalten des additiven Momentenverlaufs ergibt sich vorteilhaft durch eine Regelung der ersten Antriebseinrichtung.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird zur Ermittlung der Vorsteuerdaten ein Momentensollwert in Abhängigkeit von einem Lage-Ist-Wert eines ersten anzutreibenden Körpers bestimmt.
Dabei kann die Zahl der einzelnen Stützpunkte bzw. Berechnungspunkte an das jeweilige Verfahren angepasst werden. So kann beispielsweise der Funktionsausgang MSoll_VS mit einem Tiefpassfilter (zum Beispiel „PT1”) bearbeitet werden. Zusätzlich oder daneben kann dieser Funktionausgang MSoll_VS auch mit einem Sperrfilter bearbeitet werden. Dies bietet die Möglichkeit, dass es vermieden wird, dass die Mechanik der Maschine durch die Vorsteuerung mit Resonanzfrequenzen angeregt wird.
Weiterhin wird vorteilhaft das hier dargestellte Verfahren für eine Druckmaschine verwendet.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Maschine mit einer ersten Antriebseinrichtung die einen ersten anzutreibenden Körper entlang eines ersten vorgegebenen und periodisch wiederkehrenden Bewegungspfads mit einem vorgegebenen ersten Antriebsmomentenverlauf antreibt, gerichtet. Weiterhin weist die Maschine eine Steuerungseinrichtung auf, welche die erste Antriebseinrichtung steuert, wobei der erste Antriebsmomentenverlauf für diesen ersten Antriebsmomentenverlauf charakteristische und periodisch wiederkehrende Momentenverlaufsänderungen aufweist. Erfindungsgemäß kompensiert die Steuerungseinrichtung diese periodisch wiederkehrenden Momentenverlaufsänderungen durch eine vorab festgelegte Vorsteuerung des Antriebsmomentenverlaufs der ersten Antriebseinrichtung bzw. des ersten angetriebenen Körpers zumindest teilweise, um so einen Schleppfehler zu verringern.
Vorteilhaft ergeben sich die Momentenverlaufsänderungen aus mechanischen Eigenschaften der Maschine wie etwa systembedingten Erhöhungen bzw. Schwankungen eines mechanischen Widerstandes. Die Momentenverlaufsschwankungen ergeben sich, wenn sich bei gleichbleibendem Antriebsmoment die dem angetriebenen Körper entgegengesetzte Kraft ändert. Unter dem Antriebsmoment werden daher die resultierenden Momente verstanden, die sich aus dem eigentlichen durch den Antrieb verursachten Moment und der diesem Moment entgegenwirkenden Kraft (welche z. B. von außen auf den angetriebenen Körper wirkt) ergibt.
Bevorzugt wird abgesehen von der Momentenvorsteuerung keine weitere Steuerung bzw. Regelung vorgenommen, um die Momentenschwankungen zu kompensieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei wenigstens einer Antriebseinrichtung um einen Direktantrieb. Der Direktantrieb kann dabei beispielsweise einen angetriebenen Körper in Form einer Welle antreiben.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine zweite Antriebseinrichtung auf, die einen zweiten anzutreibenden Körper entlang eines zweiten vorgegebenen und periodisch wiederkehrenden Bewegungspfads mit einem vorgegebenen zweiten Antriebsmomentenverlauf antreibt auf und die Steuerungseinrichtung ist derart gestaltet dass die Bewegung des ersten anzutreibenden Körpers an die Bewegung des zweiten anzutreibenden Körpers angepasst ist.
Unter einem angepassten Bewegungspfad wird dabei insbesondere verstanden, dass die Bewegung des zweiten angetriebenen Körpers und die Bewegung des ersten angetriebenen Körpers aufeinander abgestimmt und insbesondere miteinander bzw. aneinander gekoppelt sind.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen.
Darin zeigen:
1 eine grobschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2a, 2b zwei Darstellungen von Momentenverläufen;
3 eine Darstellung des aufzunehmenden Sollwertverlaufs;
4 eine Darstellung des aufzuschaltenden Sollwertverlaufs;
5 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung des Vorsteuerungskonzepts;
6 eine schematische Darstellung des Schaltbildes der Momentvorsteuerungsfunktion;
7 eine Darstellung der Abläufe der Trainings- und Vorsteuerungsmodule;
8 eine Darstellung eines Signalverlaufs;
9a, 9b zwei Darstellungen zur Gegenüberstellung des Betriebs mit und ohne Vorsteuerung.
1 zeigt eine grobschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Vorrichtung bzw. Maschine weist hier zwei angetriebene Körper 12, 14 auf, bei denen es sich hier um Achsen oder Wellen handelt, die jeweils um eine geometrische Drehachse X, Y gedreht werden. Dabei sind die Bewegungen dieser angetriebenen Körper miteinander gekoppelt. Dies bedeutet, dass diese Drehungen zwar nicht die gleichen Drehgeschwindigkeiten haben müssen, jedoch aufeinander angepasste Drehgeschwindigkeiten. Das Bezugszeichen 2 bezieht sich auf eine erste Antriebseinrichtung, die zum drehenden Antrieb des ersten angetriebenen Körpers 12 dient, und das Bezugszeichen 4 kennzeichnet eine zweite Antriebseinrichtung, die zum drehenden Antrieb des zweiten angetriebenen Körpers 14 dient.
Eine Steuerungseinrichtung 20 steuert die beiden Antriebseinrichtungen 2, 4 und bewirkt insbesondere, dass die Antriebe miteinander gekoppelt sind, beispielsweise nach einem Leitachsen-/Folgeachsenprinzip. Die Steuerungseinrichtung könnte jedoch auch nur einen der Antriebe steuern.
Ziel der Erfindung ist es nunmehr, einen Schleppfehler zwischen den beiden Antrieben möglichst weitgehend zu vermeiden. Falls nur ein Antrieb vorgesehen ist, soll eine möglichst positionsgenauer Antrieb ermöglicht werden, d. h. das Bewegungsprofil des angetriebenen Körpers soll möglichst wenig von einem Sollprofil abweichen.
Damit wird in der in 1 gezeigten Anwendung eine hohe Positionierungsgenauigkeit zwischen den beiden angetriebenen Körpern gefordert. Wie oben erwähnt, ist es denkbar, dass der Momentenverlauf der ersten Antriebseinrichtung 2 bzw. die von der ersten Antriebseinrichtung 2 zu bewältigende Kraft bestimmten Schwankungen unterworfen ist. Falls beispielsweise an einem bestimmten Drehwinkel diese Kraft schlagartig absinkt, wird sich hieraus ein Schleppfehler ergeben, der mit klassischen Regelungstechniken nicht zu handhaben ist.
Die Bezugszeichen P1 und P2 kennzeichnen die Bewegungspfade der beiden angetriebenen Körper, wobei hier der Bewegungspfad als Umdrehung aufgefasst werden kann. Ein vollständiger Bewegungspfad stellt damit jeweils eine vollständige Umdrehung des jeweiligen angetriebenen Körpers 12 und 14 dar.
Im Folgenden wird damit ein Vorsteuerungskonzept eingesetzt, welches den Vorteil schnellerer Reglerabweichungskompensation gegenüber der klassischen Führungsregelung bietet. Das hier vorgeschlagene Verfahren setzt jedoch voraus, dass die erwähnten Störungen periodisch und damit vorhersehbar auftreten. Erst dieses praktisch schätzbare Störprofil bietet die Möglichkeit, hierauf bereits vorab, das heißt im Wege einer Momentvorsteuerung zu reagieren. Verfahrensseitig werden daher die auftretenden Störungen vorab ermittelt.
Das hier vorgestellte Konzept konnte auch für Anwendungen, die periodische Störungen erfahren, vorab positiv getestet werden. Auf eine Periode, zum Beispiel eine Umdrehung, registriert die Funktion die Regelreaktion gegen eine Störung, das heißt einen bestimmten Sollwert in der nächsten Abbildung. Dieses Profil wird als positionsabhängige Größe (additiv) im Voraus in den nächsten Perioden aufgeschaltet und glättet vorteilhaft das aufgenommene Profil weiterhin adaptiv.
Die 2a, 2b zeigen eine Darstellung zur Veranschaulichung von Momentenverläufen. In dem mit jeweils obersten Diagramm ist ein Verlauf 42 dargestellt, bei dem es sich hier um einen Momentenverlauf (angegeben in Newton-Meter (Nm)) des angetriebenen Körpers 12 handelt. In dem Bereich A knickt dieses Moment infolge des eingangs erwähnten Kanalschlags ein (Abschnitt 44).
Im zweiten Teilbild veranschaulicht der Verlauf 46 die Achsenposition bzw. die Sollposition des ersten angetriebenen Körpers und in dem dritten Bild veranschaulicht der Verlauf 48 das Motormoment in %. Man erkennt, dass in dem Bereich A dieses Motormoment zunächst absinkt und anschließend wieder ansteigt. Das Absinken des Motormoments deutet darauf hin, dass in diesem Bereich der angetriebene Körper nur reduzierten Gegenkräften unterworfen ist (z. B. zu Beginn eines Kanalschlags). Aufgrund dieser reduzierten Kräfte kann es zu dem eingangs erwähnten Schleppfehler kommen.
Ohne die hier vorgeschlagene Regelung ergibt sich, wie in 2a erkennbar, ein Schleppabstand (Kurve 50) in dem Bereich A, der zunächst negativ wird und anschließend wieder positiv. Erst im Laufe der Zeit kann dieser Schleppabstand wieder durch klassische Regelungen ausgeglichen werden und nähert sich wieder der Nulllinie an.
Weiterhin kennzeichnet das Bezugszeichen 52 den Verlauf der Ist-Drehzahl des zweiten Antriebs bei klassischer Regelung. Das Bezugszeichen 54 kennzeichnet den Vorsteuerwert, der hier, da keine Vorsteuerung vorgenommen wird, bei 0 liegt.
2b zeigt die Situation bei vorhandener erfindungsgemäßer Vorsteuerung. Die Kurven bzw. Bereiche 42, 44 und 46 entsprechen den in 2a gezeigten, da sich insoweit die Vorsteuerung nicht auswirkt.
Das Bezugszeichen 48a kennzeichnet das Motordrehmoment unter Berücksichtigung der Vorsteuerung. Genauer wurde hier in dem Bereich A additiv ein Vorsteuermoment aufgeschaltet, wodurch sich in diesem Bereich das verminderte Motordrehmoment ergibt.
Der Verlauf 50a zeigt wiederum einen Schleppabstand in Millimetern, der hier erheblich kleiner ist, als der in 2a gezeigte Schleppabstand 50. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass auf der Y-Achse der Bereich um den Faktor 10 reduziert wurde gegenüber der in 2a gezeigten Darstellung.
Auch die Ist-Drehzahl in U/m, die durch die Kurve 52a veranschaulicht ist, schwankt hier wesentlich weniger, man erkennt, dass auch hier der Bereich der Y-Achse wesentlich kleiner ist als bei der in 2a gezeigten Situation.
Die Kurve 54a kennzeichnet den Vorsteuerwert in Newtonmeter, der in dem Bereich A einen entsprechenden Knick aufweist. Dieser Knick wirkt mit entsprechendem Einknicken des Motordrehmoments (Kurve 40) in dem Bereich A entgegen. In dem Bereich, in dem das Motor-drehmoment aufgrund bestimmter mechanischer Gegebenheiten abnimmt, wird auch vorausschauend das Motordrehmoment reduziert.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, das Lastprofil, das heißt einen Lastmomentenverlauf 44 zu schätzen, bzw. zu bestimmen, um hieraus auch einen Vorsteuerwert 54a (ebenfalls in Newtonmeter Nm gemessen) ermitteln zu können. Der Lastmomentenverlauf ist in diesem Fall periodisch, auf diese Weise wird jedoch eine adaptive Prozedur ermöglicht, um das Problem zu beheben.
Diese Adaption erfolgt, wie oben erwähnt, auf jedem zu ermittelten Lage-Ist-Wert, der als Stützpunkt dient, wobei die Adaption bevorzugt durch einen Mittelwertfilter erfolgt. Die Filterordnung sowie die Anzahl der Stützpunkte ist dabei frei parametrierbar.
Es kann eine Filterübertragungsfunktion zugrunde gelegt werden, die auf folgender Gleichung basiert:
X_out bezeichnet dabei die von der Funktion ausgegebenen Werte und X_in die eingegebenen Werte. Die Werte z^–1 ... z^–N veranschaulichen die in den jeweilgen Perioden des Maschinenlaufs (z. B. Drehungen) aufgenommenen Fehlerwerte, die aufsummiert werden und durch die Filterordnung geteilt werden, so dass hier ein Mittelwert gebildet wird.
Mithilfe eines Einlernmoduls können folgende Schritte durchgeführt werden.
Zunächst wird (bevorzugt zyklisch) ein Lage-Ist-Wert mit dem entsprechenden Momenten-Soll-Wert ermittelt und in einer Tabelle eingetragen. Der Momenten-Sollwert kann am Ausgang eines Geschwindigkeitsreglers ermittelt werden. Die Winkelauflösung kann damit aus der Anzahl der Stützpunkte ermittelt werden und zwar nach folgender Gleichung. e = 360/Anzahl_Stützpunkte.
Weiterhin kann die Mittelwertfilterordnung (N) vorgegeben werden, die bei dem Einlernprozess auch gleichzeitig der Anzahl an Durchläufen bzw. Achsumdrehungen entspricht. Entsprechend ergibt sich folgende Tabelle:

Winkel e 2*e 3*e ... 360

MSoll[1]

MSoll[2]

...

MSoll[N]
Jeder der in der Tabelle gezeigten Reihen entspricht einer vollständigen Achsenumdrehung.
Es wird weiterhin zyklisch der Lage-Ist-Wert ermittelt und mithilfe obiger Tabelle (gegebenenfalls unter Verwendung von Interpolationen) der jeweilige Momentenwert berechnet. Dies erfolgt nach folgender Gleichung:
Dabei bedeutet x den Lage-Ist-Wert und N die Filterordnung. Es erfolgt daher, wie oben erwähnt, eine Mittelwertbildung.
Um die Ergebnisse weiter zu optimieren, wird bevorzugt der ermittelte Wert MSoll_VS (x) aus der obigen Tabelle zeitlich negativ bzw. früher angesetzt. Dies bedeutet, er wird früher aufgeschaltet, um die Reglerdynamik zu berücksichtigen, die von der Systemeinstellung abhängig ist. Die Ermittlung dieses zeitlichen Versatzes kann in der Praxis manuell erfolgen, beispielsweise durch stetige Optimierung (Trial-and-Error-Prinzip).
Schließlich werden die so ermittelten Vorsteuerungswerte MSoll_VS als additive Sollwerte direkt an den Eingang eines Momentenreglers aufaddiert (vgl. Kurve 54a aus 2b).
3 veranschaulicht schematisch, an welcher Stelle der aufzunehmende Momentensollwert abgegriffen werden kann. Dies erfolgt an der Position B, die mit P-0-0049 dargestellt ist, an der üblicherweise die Momentenbegrenzung ansetzt. Die hier ausgegebenen Werte können für die oben erwähnte Mittelwertbildung verwendet werden.
4 zeigt ein Schaltbild, welches veranschaulicht, an welcher Stelle der ermittelte additive Sollwert MSoll_VS aufgeschaltet werden kann. Dies ist an der mit C gekennzeichneten Stelle möglich, beispielsweise nach dem Geschwindigkeitsregler 32. Durch Abgreifen des einzuschaltenden Verlaufs des MSoll_VS-Wertes kann die Genauigkeit der berechneten Signale getestet werden.
Das in 5 gezeigte Schaltbild veranschaulicht die Ermittlung des Momentensollwerts MSoll_VS. Dabei werden die aktuellen Momentensollwerte MSoll_aktuell (beispielsweise im Rahmen des Einlernbetriebs) sowie die Lage-Ist-Werte vorgegeben, und mithilfe der oben erwähnten Tabelle 60 werden die Momentesollwerte an den Bereich 62 ausgegeben. Die Tabelle berücksichtigt dabei sowohl die Filterordnung als auch die Anzahl der Stützpunkte sowie den oben erwähnten zeitlichen Versatz. Anschließend werden die ausgegebenen Werte noch mit einem Tiefpassfilter 64 sowie einem Sperrfilter 66 bearbeitet und schließlich ausgegeben. Über eine Schalteinheit 68 kann die Vorsteuerung an- und ausgeschaltet werden.
6 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Regelung. Hier wird, wie an sich bekannt, über einen Lageregler und einen Geschwindigkeitsregler ein bestimmter Momentenwert M ausgegeben und anschließend wird der erfindungsgemäße Momentensollwert M_add additiv aufgeschaltet. Der so über den Stromregelkreis 78 ermittelte Sollwert wird wiederum rückgeführt und zur Korrektur aufgeschaltet. In diesem Bereich kann auch ein Maß für den Schleppfehler ausgegeben werden. Wie erwähnt, kann diese Erfindung beispielsweise bei Druckmaschinen aber auch beispielsweise bei Gießspritzmaschinen Anwendung finden.
Bei der Durchführung des Verfahrens ist es möglich, dass die Vorsteuerfunktion sich aus zwei Hauptmodulen zusammensetzt, die adaptiv laufen, um die oben erwähnte aufgenommene Tabelle immer weiter anzupassen. Auf diese Weise ist es möglich, den Schleppfehler bis zu einem minimal möglichen Optimum zu verbessern.
Im Einzelnen wird hierzu zunächst ein Trainingsmodul vorgesehen, welches die aktuelle Position θ(t) sowie dem Momentensoll M(θ) misst und diese Werte in die Tabelle an den entsprechenden Stützpunkten einträgt. Vorzugsweise laufen dabei diese Messungen und gegebenenfalls auch die einzelnen Berechnungen in einer vorgegebenen Taktung T_s[s]. Dabei kann die Funktion zwei verschiedene Achsen betrachten, nämlich einerseits die reale Achse der Geschwindigkeit V_r.
Dabei bedeutet z^–1 den Wert der jeweils vorausgegangenen Messung und T_s kennzeichnet die Taktzeit.
Weiterhin die diskrete Bildung, das heißt die virtuelle Geschwindigkeit (hier werden die zeitlichen Differenziale der Stützpunkte berechnet):
θ_v kennzeichnet dabei den virtuellen Lagewert. Je nach der Stützpunktzahl, dem gesamten Fahrbereich und der Achsengeschwindigkeit V_r kann einer der folgenden Fälle auftreten: In einem ersten Fall ist V_r > V_v. Hier ermittelt ein Algorithmus rechnerisch, beispielsweise über eine lineare Interpolation die fehlenden Punkte.
In einem zweiten Fall ist V_r = V_v. Dies ist der ideale Fall, wobei die Funktion die M(θ) Werte an jedem Stützpunkt als lineare Interpolation aller zwei folgenden Takte berechnet.
In einem dritten Fall ist V_r < V_v. Dies kann auftreten, wenn die Anzahl der Stützpunkte zu gering eingestellt wurde oder die Geschwindigkeit der Achse zu gering ist. In diesem Fall bildet der Trainingsalgorithmus am nächsten Stützpunkt die Mittelung aller relevanten Messwerte. In jedem Fall wird daher die virtuelle Achse die reale Achse synchronisieren.
In dem zweiten oben erwähnten Vorsteuerungsmodul rechnet das Modul den relevanten Wert M_add und schaltet ihn zum Regelkreis auf. Um alle Todzeiten im Regelkreis zu berücksichtigen, wird ein zeitlicher Versatz D voreingestellt, mit dem in Abhängigkeit von V_r ein extrapolierter θ ^→ θ_Extra erst ermittelt wird. Das Modul errechnet M_add (θ_extra) durch eine Übertragungsfunktion (unter Verwendung eines Mittelwertfilters und der Ordnung F) an den nächsten Stützpunkten.
B_–1 bezeichnet dabei die vorherige Periode i (analog zu Z^–i). B₀ bezeichnet die aktuelle Messperiode, das heißt die Trainingsperiode. Schließlich wird M_add mittels einer Intra- oder Extrapolation approximiert oder aufgeschaltet.
7 zeigt die Algorithmen, die für das Trainingsmodul und das Vorsteuerungsmodul verwendet werden. Mit dem im linken Teilbild veranschaulichten Trainingsmodul werden zunächst die Achsenkoordinaten bzw. die Lageistwerte θ sowie die Momentensollwerte M eingelesen. Anschließend wird eine Laufvariable I definiert. Das Kürzel Inkr stellt dabei den Fahrbereich dar. Basierend hierauf und auf der Stützpunktzahl N wird eine Tabelle mit den M und θ- Werten gebildet.
Schließlich wird mittels einer weiteren Schleife eine Tabelle mit den einzelnen Momentenwerten M_F,N erzeugt, wobei F die Filterordnung ist, d. h., die Anzahl der Perioden, über die eine Mittelung durchgeführt wird. Diese Tabelle wird in einem Speicher abgelegt.
Das rechte Teilbild in 7 kennzeichnet das Vorsteuermodul, d. h. die Vorsteurung mit der im Rahmen des Trainingsmoduls erzeugten Tabelle. Hier werden zunächst die Lageistwerte θ und die Geschwindigkeiten eingelesen. Anschließend werden die extrapolierten Lageistwerte θ_Extra erzeugt und diese anschließend den in der Tabelle gespeicherten Werten zugeordnet. Nach Mittelwertbildungen werden schließlich durch Interpolationen die additiven Momentenwerte M_add berechnet bzw. ausgegeben.
8 zeigt einen in einer SPS eines Antriebs gespeicherten Signalablauf. Die durchgezogene dreieckförmige Linie 82 kennzeichnet dabei den Lageistwert, wobei auch die geringen Schwankungen, d. h. die Abweichungen von der genauen Linearität erkennbar sind. Die Kurve 84 kennzeichnet den Momentenverlauf mit seinen starken Anstiegen.
Die 9a und 9b zeigen eine Gegenüberstellung mit aktivierter oder nicht aktivierter Vorsteuerfunktion. Dabei kennzeichnet das Bezugszeichen 72 die Position der Leitachse und das Bezugszeichen 74 den Schleppfehler. Man erkennt, dass bei aktivierter Vorsteuerfunktion der Schleppfehler 74 erheblich reduziert werden kann, nämlich hier um den Faktor 3–4, wobei jedoch wie oben erwähnt die jeweiligen Störmomente periodisch sind. Man erkennt weiterhin, dass die der Erfindung zugrunde liegende Idee nicht nur für rotative Antriebe anwendbar ist, sondern auch für solche, beispielsweise lineare Antriebe, bei denen ein anzutreibender Körper regelmäßig in seinem Fahrbereich zyklisch fährt. Bei dem in den 9a und 9b gezeigten Beispiel wurde als Anzahl der Stützpunkte 1080 und als Filterordnung 16 gewählt. Als zeitlicher Versatz wurde hier 5 ms gewählt. Vorteilhaft wird ein zeitlicher Versatz gewählt, der zwischen 2 ms und 12 ms, vorteilhaft zwischen 3 ms und 8 ms und besonders vorteilhaft zwischen 4 ms und 6 ms liegt. Diese Werte haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, um die Reglerdynamik besonders vorteilhaft zu berücksichtigen.
Damit lässt sich allgemein die Erfindung für alle Antriebslösungen einsetzten, bei denen es darum geht, periodische Störungen wie Momentenstösse durch eine Momentenvorsteuerung zu kompensieren. Dies ist meist bei Direktantrieben erforderlich. Der Gleichlauf zwischen mehreren Antrieben wird optimiert, indem das erforderliche Motormoment über eine adaptive Momentenvorsteuerung aufgeschaltet und bevorzugt nicht geregelt wird.
Es wird daher ein einfacher adaptiver selbstlernender Algorithmus vorgeschlagen, der speziell bei Direktantriebslösungen Anwendung findet und der dort wegen der durch die eingeschränkte Geberauflösung begrenzten Regeldynamik einen hohen Gleichlauf ermöglicht.
Die Anmelderin behält sich vor, sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

1: Maschine
2: erste Antriebseinrichtung
4: zweite Antriebseinrichtung
12: erster angetriebener Körper
14: zweiter angetriebener Körper
20: Steuerungseinrichtung
40: Kurve Einknicken des Motordrehmoments
42: Verlauf
44: Lastmomentverlauf
46: Verlauf Leitachsenposition
48: Verlauf Motormoment
48a: Motordrehmoment
50: Schleppabstand
50a: Schleppabstand in Millimetern
52: Verlauf der Ist-Drehzahl
52a: Kurve Ist-Drehzahl in U/m
54: Vorsteuerwert
54a: Vorsteuerwert in Nm
60: Tabelle
62: Bereich
64: Tiefpassfilter
66: Sperrfilter
68: Schalteinheit
72: Position der Leitachse
74: Schleppfehler
78: Stromregelkreis
82: Lageistwert
84: Momentenverlauf
A: Knickbereich
P1: erster Bewegungspfad
P2: zweiter Bewegungspfad
X: geometrische Drehachse
Y: geometrische Drehachse

Claims

Verfahren zum Steuern einer Maschine, insbesondere einer Maschine mit mehreren Antriebseinrichtungen (2, 4), wobei eine erste Antriebseinrichtung (2) einen ersten anzutreibenden (12) Körper entlang eines ersten vorgegebenen und periodisch wiederkehrenden Bewegungspfads (P1) mit einem vorgegebenen ersten Antriebsmomentenverlauf antreibt, wobei die erste Antriebseinrichtung (2) derart gesteuert wird, dass der erste Bewegungspfad (P1) im Wesentlichen einem vorgegebenen Soll-Bewegungspfad entspricht und der erste Antriebsmomentenverlauf für diesen ersten Antriebsmomentenverlauf charakteristische und periodisch wiederkehrende Momentenverlaufsänderungen aufweist dadurch gekennzeichnet, dass diese periodisch wiederkehrenden Momentenverlaufsänderungen durch eine vorab festgelegte Vorsteuerung des ersten Antriebsmomentenverlaufs zumindest teilweise kompensiert werden, um so einen Schleppfehler gegenüber dem Soll-Bewegungspfad zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorsteuerung charakteristische Vorsteuerungsdaten auf Basis eines Einlernbetriebs ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Antriebseinrichtung (4) einen zweiten anzutreibenden Körper (12) entlang eines zweiten vorgegebenen und periodisch wiederkehrenden Bewegungspfades (P1) mit einem vorgegebenen zweiten vorgegebenen Antriebsmomentenverlauf antreibt und wobei durch eine Abstimmung des ersten Antriebsmomentenverlaufs an den zweiten Antriebsmomentenverlauf die Bewegung des ersten anzutreibenden Körpers (12) an die Bewegung des zweiten anzutreibenden Körpers (14) angepasst wird und so diese periodisch wiederkehrenden Momentenverlaufsänderungen durch eine vorab festgelegte Vorsteuerung des ersten Antriebsmomentenverlaufs zumindest teilweise kompensiert werden, um so einen Schleppfehler zwischen den Bewegungspfaden (P1, P2) zu verringern.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein anzutreibender Körper (12, 14) drehend angetrieben wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antriebseinrichtung (2, 4) ein Direktantrieb ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung einen additiven Momentenverlauf (M_add) aufweist, der auf den Antriebsmomentenverlauf (M) additiv aufgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Vorsteuerdaten ein Momentensollwert in Abhängigkeit vom Lageistwert des ersten anzutreibenden Körpers (12) bestimmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für eine Druckmaschine verwendet wird.
Maschine (1) mit einer ersten Antriebseinrichtung (2) die einen ersten anzutreibenden Körper (12) entlang eines ersten vorgegebenen und periodisch wiederkehrenden Bewegungspfads (P1) mit einem vorgegebenen ersten Antriebsmomentenverlauf antreibt, mit einer Steuerungseinrichtung (20), welche die erste Antriebseinrichtung (2) steuert, wobei der erste Antriebsmomentenverlauf (P1) für ersten zweiten Antriebsmomentenverlauf charakteristische und periodisch wiederkehrende Momentenverlaufsänderungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung diese periodisch wiederkehrenden Momentenverlaufsänderungen durch eine vorab festgelegte Vorsteuerung des Antriebsmomentenverlaufs des ersten angetriebenen Körpers (12) zumindest teilweise kompensiert, um so einen Schleppfehler zu verringern.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antriebseinrichtung ein Direktantrieb ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine zweite Antriebseinrichtung (4), die einen zweiten anzutreibenden Körper (14) entlang eines zweiten vorgegebenen und periodisch wiederkehrenden Bewegungspfads (P2) mit einem vorgegebenen zweiten Antriebsmomentenverlauf antreibt aufweist und die Steuerungseinrichtung derart gestaltet ist dass die Bewegung des ersten anzutreibenden Körpers an die Bewegung des zweiten anzutreibenden Körpers angepasst ist.