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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebs nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein derartiges Verfahren ist aus
EP 1 494 347 A1 bekannt. Zum synchronisierten Betreiben zweier Elektromotoren wird dort ein gemeinsamer Drehzahlregelkreis verwendet, der unterlagerten Stromregelkreisen über eine Ansteuerkennlinie gewichtete Stromsollwerte vorgibt. In einem bestimmten Drehzahlbereich wird ein Elektromotor so angesteuert, dass dessen Drehmoment mit zunehmender Drehzahl abnimmt und der andere Elektromotor wird so angesteuert, dass dessen Drehmoment mit zunehmender Drehzahl zunimmt. Wenn die Drehzahl den Wert 0 aufweist, liegt bereits ein hohes Drehmoment an den Elektromotoren an. Dadurch soll das Halten einer von den Elektromotoren angetriebenen, nicht im Schwerpunkt gelagerten Waffe auf ein Ziel erleichtert werden.
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Aus der Praxis ist ferner ein gattungsfremdes Verfahren bekannt, das bei einem Portal-Roboter zur Anwendung kommt, der zwei parallel zueinander verlaufende Linearführungen aufweist, die über eine sich quer zu den Linearführungen erstreckende, entlang der Linearführungen verschiebbare Portalbrücke miteinander verbunden sind. Zum Positionieren der Portalbrücke entlang der Linearführungen ist an jeder der beiden Linearführungen jeweils ein Elektromotor angeordnet, der über eine Spindel, einen Zahnriemen oder dergleichen mit einem an der betreffenden Linearführung angreifenden Endabschnitt der Brücke in Antriebsverbindung steht, um die Portalbrücke an beiden Enden anzutreiben. Für jeden Elektromotor ist jeweils eine Ansteuereinrichtung vorgesehen, die über eine Endstufe mit der Motorwicklung des betreffenden Elektromotors verbunden ist. An jedem Elektromotor ist jeweils zur Erfassung eines Lage-Messsignals für den Läufer des Elektromotors ein Lage-Sensor, wie z.B. ein Encoder angeordnet. Die Ansteuereinrichtungen der einzelnen Elektromotoren haben jeweils einen mit dem Sensor des betreffenden Elektromotors verbundenen, einen Sollwerteingang aufweisenden Lageregelkreis, einen diesem unterlagerten Geschwindigkeitsregelkreis und einen Stromregelkreis, der dem Geschwindigkeitsregelkreis unterlagert ist. Zum Positionieren der Portalbrücke wird an die Sollwerteingänge der Lageregelkreise ein Lagesollwertsignal angelegt, das von einer übergeordneten Maschinensteuerung bereitgestellt wird.
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Damit die Portalbrücke möglichst exakt und schwingungsfrei positioniert werden kann, müssen die Regelkenngrößen der Lage- und Geschwindigkeitsregelkreise an die mechanischen Eigenschaften der Portalbrücke, insbesondere an die Masse bzw. das Trägheitsmoment der Portalbrücke angepasst werden. Die Ansteuereinrichtungen sind zu diesem Zweck mit Mikrocomputern ausgestattet, in denen Programme zum Einlernen der Regelkenngrößen abgelegt sind. Mit derartigen, an sich bekannten Programmen, können bei einem einzelnen Elektromotor die Regelkenngrößen weitgehend automatisch ermittelt und für den normalen Betrieb des Elektromotors in der Ansteuereinrichtung gespeichert werden. Bei Anwendungen, bei denen mehrere Elektromotoren über eine starre mechanische Verbindung, wie zum Beispiel die Portalbrücke, miteinander gekoppelt sind, besteht jedoch das Problem, dass sich die Regelkenngrößen der gekoppelten Elektromotoren gegenseitig beeinflussen.
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Da dies bei der automatischen Erfassung der Regelkenngrößen zu Fehlern führt, werden die Elektromotoren zum Einlernen der Regelkenngrößen zunächst mechanisch entkoppelt. Bei einem Portal-Roboter muss zu diesem Zweck die Portalbrücke von den Linearführungen demontiert werden. Anstelle der Portalbrücke wird dann an jeder Linearführung jeweils eine entsprechende Testmasse angebracht, deren Massenträgheit in etwa dem Anteil der Massenträgheit der Portalbrücke entspricht, der von dem der betreffenden Linearführung zugeordneten Elektromotor zu beschleunigen ist. Danach werden für jeden Elektromotor jeweils mit Hilfe des bereits erwähnten, mittels des Mikroprozessors ausführbaren Programms die Regelkenngrößen für die einzelnen Lage- und Geschwindigkeitsregelkreise eingelernt und abgespeichert. Die Regelkenngrößen für die Stromregler werden üblicherweise werksseitig vorgegeben.
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Nachdem die Regelkenngrößen für die Lage- und Geschwindigkeitsregelkreise abgespeichert wurden, wird noch eine manuelle Feineinstellung der Regelkenngrößen vorgenommen. Danach werden die Testmassen von den Linearführungen entfernt und die Portalbrücke wird wieder montiert. Die für das Erfassen der Regelkenngrößen erforderlichen Umrüst- und Programmierarbeiten sind recht zeitaufwändig und können mehrere Tage dauern. Die Adaption der Regelkenngrößen ist daher mit einem erheblichen Personal- und Kostenaufwand verbunden. Ungünstig ist außerdem, dass der elektrische Antrieb während der Dauer der Einrichtungsarbeiten nicht für die Produktion genutzt werden kann.
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Aus
DE 10 2009 044 358 A1 ist ein Verfahren zum Synchronisierten Beitreiben zweier Elektromotoren bekannt, bei dem an einer Lagesollwertvorgabe mehrere kaskadierte Regelkreise angeschlossen sind. Um Spiel in einem von den Elektromotoren angetriebenen Getriebe auszugleichen, werden die Elektromotoren über Regelkreise so angesteuert, dass ein Vorbelastungsdrehmoment erzeugt wird. Das Vorbelastungsdrehmoment wird in zueinander entgegen gesetzte Richtungen zu Referenzdrehmomenten für die Elektromotoren hinzuaddiert, so dass sich die Vorbelastungsdrehmomente der Elektromotoren gegeneinander aufheben.
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Aus
DE 10 2004 041 903 A1 ist ein Verfahren zum Antreiben einer Aufzugskabine mit Hilfe von zwei Zugeinheiten bekannt. Jede Zugeinheit weist einen Lageregler, einen diesem unterlagerten Geschwindigkeitsregler und einen Stromregler auf, der dem Geschwindigkeitsregler unterlagert ist. Um Schwingungen der Kabine zu unterdrücken, ist ein Drehmomentverteiler vorgesehen, mittels welchem das Drehmoment in Abhängigkeit von mittels Wiegeeinheiten erfassten Messsignalen auf die Zugeinheiten verteilt wird.
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Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, die Regelkenngrößen für die Lage- und/oder Geschwindigkeitsregelung der einzelnen Elektromotoren schnell, kostengünstig und präzise zu ermitteln.
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Diese Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 2 gelöst. Zum Stabilisieren des Gesamtsystems und zur Korrektur wird ein Lagedifferenzsignal und/oder ein Geschwindigkeitsdifferenzsignal verwendet. In vorteilhafter Weise ist es dadurch möglich, die Geschwindigkeit der Läufer aller Elektromotoren des elektrischen Antriebs mit nur einem einzigen Geschwindigkeitsregler zu regeln. Somit können die für die Geschwindigkeitsregelung benötigten Regelkenngrößen während des Vorhandenseins der mechanischen Kopplung der Elektromotoren erfasst werden, vorzugsweise mit Hilfe eines entsprechenden, in einem Mikrocomputer einer Ansteuereinrichtung für die Elektromotoren abgelegten Betriebsprogramms, welches die Regelkenngrößen im Wesentlichen automatisch erfasst. Eine mechanische Entkopplung der Elektromotoren und die damit einhergehende Demontage und anschließende Wiedermontage der mit Hilfe des elektrischen Antriebs zu positionierenden mechanischen Komponenten entfällt somit bei der Erfassung der Regelkenngrößen. Die Regelkenngrößen können dadurch innerhalb weniger Minuten erfasst und in der Ansteuereinrichtung abgelegt werden. Da weder Demontage noch Montagearbeiten am elektrische Antrieb und den damit zu positionierenden mechanischen Komponenten erforderlich sind, kann die Erfassung der Regelkenngrößen auf einfache Weise vom Anwender durchgeführt werden. Die Kosten für die Hinzuziehung eines Monteurs können somit eingespart werden. Lage und Geschwindigkeit der Läufer der Elektromotoren können gleichzeitig geregelt werden, wobei die Geschwindigkeitsregelung der Lageregelung unterlagert sein kann.
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Wenn für die Geschwindigkeitsregelung ein Proportional-Integral-Regler verwendet wird, entsprechen die Verstärkungsfaktoren für die Proportionalanteile der einzelnen Elektromotoren vorzugsweise dem Anteil, den das Massenträgheitsmoment, mit welchem der betreffende Elektromotor belastet wird, an dem gesamten Massenträgheitsmoment hat, mit dem der elektrische Antrieb belastet wird. Zur Korrektur und zum Stabilisieren des Gesamtsystems kann also auch das Geschwindigkeitsdifferenzsignal verwendet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entspricht für jeden Elektromotor der vorbestimmte Anteil, den das Stromsollwertsignal dieses Elektromotors am Gesamtstromsollwertsignal hat, jeweils dem nominalen Drehmoment des betreffenden Elektromotors dividiert durch das nominale Gesamtdrehmoment der Elektromotoren. Die einzelnen Elektromotoren können dann entsprechend ihrem nominalen Drehmoment optimal genutzt werden, wobei das nominale Gesamtdrehmoment des elektrischen Antriebs der Summe der nominalen Drehmomente der einzelnen Elektromotoren entspricht.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsfbrm der Erfindung wird ein Lagesollwertsignal bereitgestellt, wobei für die Läuferposition des ersten Elektromotors ein erstes Lagemesssignal erfasst wird, wobei Lageregelkenngrößen bereitgestellt werden, und wobei im Sinne einer Lageregelung in Abhängigkeit von dem ersten Lagemesssignal, dem Lagesollwertsignal und den Lageregelkenngrößen das Geschwindigkeitssollwertsignal erzeugt wird. Somit kann die Lage der Elektromotoren mit nur einem einzigen Lageregler geregelt werden. Die für die Lageregelung benötigten Regelkenngrößen können daher ebenfalls bei mechanisch miteinander gekoppelt Elektromotoren erfasst werden.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine breite Walze, die von zwei über die Walze mechanisch gekoppelten Elektromotoren angetrieben wird und mit einem bandförmigen Material bewickelt ist,
- 2 eine Teilansicht einer Vorrichtung zum Positionieren von Paletten, die zwei Führungsschienen aufweist, an denen eine Brücke verschiebbar gelagert ist, die von zwei über die Brücke mechanisch miteinander gekoppelten Elektromotoren angetrieben wird,
- 3 ein mechanisches Ersatzschaltbild der in 2 gezeigten Vorrichtung, und
- 4 ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Antriebs, der einen ersten Elektromotor aufweist, der mit einer Anzahl von N-1 zweiten Elektromotoren mechanisch gekoppelt ist, wobei nur die regelungstechnischen Komponenten eines zweiten Elektromotors dargestellt sind, und wobei bei den Stromreglern der N-1 zweiten Elektromotoren jeweils ein Lagedifferenzsignal und ein Geschwindigkeitsdifferenzsignal rückgeführt sind.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebs wird ein erster Elektromotor 1 und mindestens ein zweiter Elektromotor 2 bereitgestellt, die jeweils einen Stator mit einer Wicklung und einen relativ zum Stator um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer aufweisen. Der Läufer des ersten Elektromotors 1 ist mechanisch mit dem Läufer des zweiten Elektromotors 2 gekoppelt. Die Wicklungen jedes Elektromotors 1, 2 sind über eine Endstufe mit einer Ansteuereinrichtung verbunden.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die mechanische Kopplung über eine relativ lange Welle, auf der ein bahnförmiger Werkstoff 3 aufgewickelt ist. Der Läufer der ersten Elektromotors 1 ist mit dem einen Ende und der Läufer des zweiten Elektromotors 2 mit dem anderen Ende der Welle verbunden. Die Rotationsachsen der Elektromotoren 1, 2 sind jeweils in gerader Verlängerung der Welle angeordnet. Durch die beidseits der Welle angeordneten Elektromotoren 1, 2 kann das zum Antreiben der Welle und des darauf aufgewickelten bahnförmigen Werkstoffs 3 erforderliche Drehmoment gleichmäßiger auf die Welle übertragen werden. Dadurch wird beim Beschleunigen und Abbremsen der Welle die Torsion der Welle reduziert.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dient der elektrische Antrieb zum Antreiben einer Positioniervorrichtung 4 für Paletten, die an einer Aufnahmestelle aus einer laufenden Produktion entnommen und zu einer von der Aufnahmestelle beabstandeten Abgabestelle transportiert werden sollen. Die Positioniervorrichtung 4 weist zwei parallel zueinander beabstandete Linearführungen 5, 6 auf, die durch ein Brückenteil 7, das sich quer zu den Linearführungen 5, 6 erstreckt, miteinander verbunden sind. Das Brückenteil 7 dient zur Aufnahme der Paletten und ist entlang der Linearführungen 5, 6 verschiebbar mit diesen verbunden.
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Zum Positionieren des Brückenteils 7 entlang der Linearführungen 5, 6 ist an einer ersten Linearführung 5 ein erster Elektromotor 1 und an einer zweiten Linearführung 5 ein zweiter Elektromotor 2 angeordnet. Jeder Elektromotor 1, 2 steht jeweils mit einem über Umlenkelemente umlaufenden Zahnriemen, der sich entlang der betreffenden Linearführung 5, 6 erstreckt, in Antriebsverbindung. Der Zahnriemen der ersten Linearführung 5 ist mit einem der ersten Linearführung 5 zugewandten ersten Endabschnitt des Brückenteils 7 und der Zahnriemen der zweiten Linearführung 6 mit einem der zweiten Linearführung 6 zugewandten zweiten Endabschnitt des Brückenteils 7 verbunden. Mit Hilfe des die Elektromotoren 1, 2 aufweisenden elektrischen Antriebs kann das Brückenteils 7 an beiden Endabschnitten gleichzeitig angetrieben und entlang der Linearführungen 5 verschoben werden.
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3 zeigt ein Ersatzschaltbild für die mechanische Struktur der in 2 abgebildeten Vorrichtung. Jeder Elektromotor 1, 2 steht jeweils über ein Steifigkeitsglied 34, 35 und ein parallel dazu angeordnetes Dämpfungsglied 36, 37 mit einer trägen Masse 38 in Antriebsverbindung.
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Bei einem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des elektrischen Antriebs werden ein erster Elektromotor 1 und eine Anzahl von N zweite Elektromotoren 2 bereitgestellt, wobei die Anzahl N gleich eins oder größer als eins sein kann. Die Läufer der Elektromotoren 1, 2 sind mechanisch miteinander gekoppelt.
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Außerdem wird ein Lagesollwertsignal Pref bereitgestellt, entsprechend dem die Elektromotoren 1, 2 positioniert werden sollen.
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Für die Läuferposition des ersten Elektromotors 1 wird ein erstes Lagemesssignal Pact1 erfasst und es werden Lageregelkenngrößen bereitgestellt und in einem Datenspeicher eines Lagereglers 8 abgelegt. Zur Bildung eines Lageabweichungssignals wird das Lagesollwertsignal Pref an einen ersten Eingang eines ersten Differenzglieds 9 und das erste Lagemesssignal Pact1 an einen zweiten Eingang des ersten Differenzglieds 9 angelegt. Das am Ausgang des ersten Differenzglieds 9 bereitgestellte Lageabweichungssignal wird an den Eingang des Lagereglers 8 angelegt. In dem Lageregler 8 wird im Sinne einer Lageregelung ein Geschwindigkeitssollwertsignal nref , erzeugt, das am Ausgang des Lagereglers 8 bereitgestellt wird.
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Der Ausgang des Lagereglers 8 ist mit einem ersten Eingang eines zweiten Differenzglieds 10 verbunden. Für die Geschwindigkeit des ersten Elektromotors 1 wird mittels eines ersten Encoders 32 ein erstes Geschwindigkeitsmesssignal nact1 erfasst und an einen zweiten Eingang des zweiten Differenzglieds 10 angelegt. Ferner werden Geschwindigkeitsregelkenngrößen bereitgestellt und in einem Datenspeicher eines Geschwindigkeitsreglers 11 abgelegt. Das am Ausgang des zweiten Differenzglieds 10 bereitgestellte Geschwindigkeitsabweichungssignal wird an den Eingang des Geschwindigkeitsreglers 11 angelegt. In dem Geschwindigkeitsregler 11 wird im Sinne einer Geschwindigkeitsregelung ein Gesamtstromsollwertsignal iref erzeugt, das am Ausgang des Geschwindigkeitsreglers 11 bereitgestellt wird. Das Gesamtstromsollwertsignal entspricht dem Sollwert des insgesamt in die Elektromotoren 1, 2 einzuspeisenden Motorstrom.
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Aus dem Gesamtstromsollwertsignal wird in einer Teilerstufe 12 für jeden Elektromotor 1, 2 jeweils ein Stromsollwertsignal iref1 ... irefN ermittelt, das einem vorbestimmten Anteil des Gesamtstromsollwertsignals entspricht. In der Teilerstufe 12 sind zu diesem Zweck Anteilsfaktoren für die einzelnen Elektromotoren 1, 2 abgelegt, die dem nominalen Drehmoment des betreffenden Elektromotors 1, 2 dividiert durch das nominale Gesamtdrehmoment aller Elektromotoren 1, 2 entspricht. Die Anteilsfaktoren werden in der Teilerstufe 12 jeweils mit dem Gesamtstromsollwertsignal multipliziert. Die Teilerstufe 12 weist eine der Anzahl N der Elektromotoren 1, 2 entsprechende Anzahl von Ausgängen auf, an denen jeweils eines der Stromsollwertsignale iref1 ... irefN ausgegeben wird. Bei der Anzahl N handelt es sich um eine ganzzahlige Zahl, die größer oder gleich 1 sein kann.
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Jeder Ausgang der Teilerstufe 12 ist jeweils über einen Stromregler 13, 14 und eine Endstufe mit der Wicklung eines ihm zugeordneten Elektromotors 1, 2 verbunden. Die Stromregler 13, 14 weisen Datenspeicher auf, in denen Stromregelkenngrößen abgelegt sind. Über die Stromregler 13, 14 und die Endstufen werden Motorströme, die den einzelnen Stromsollwertsignalen entsprechen, an die betreffenden Elektromotoren 1, 2 angelegt.
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Zur Stabilisierung der Regelung wird das erste Lagemesssignal Pacti an einen ersten Eingang eines dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 jeweils zugeordneten dritten Differenzglieds 15 angelegt. Dabei wird für jeden zweiten Elektromotor 2 jeweils ein zweites Lagemesssignal PactN erfasst und an einen zweiten Eingang des dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 zugeordneten dritten Differenzglieds 15 angelegt. Jedes dritte Differenzglied 15 hat einen Ausgang, an dem ein der Differenz aus dem zweiten Lagemesssignal PactN des betreffenden zweiten Elektromotors 2 und dem ersten Lagemesssignal Pact1 entsprechendes Lagedifferenzsignal ausgegeben wird.
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Zum Konvertieren der Lagedifferenzsignale in entsprechende erste Motorstromdifferenzsignale wird für jeden zweiten Elektromotor 2 jeweils eine erste Kenngröße bereitgestellt und in einem dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 zugeordneten ersten Konvertierungslied 16 abgelegt. Mit Hilfe des ersten Konvertierungslieds 16 wird ein dem betreffenden Lagedifferenzsignal entsprechendes erstes Motorstromdifferenzsignal erzeugt.
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Wie in 4 weiter erkennbar ist, ist jedem zweiten Elektromotor 2 jeweils ein viertes Differenzglied 17 zugeordnet, das einen ersten Eingang aufweist, an dem das erste Geschwindigkeitsmesssignal nact1 anliegt. Für jeden zweiten Elektromotor 2 wird jeweils mittels eines zweiten Encoders 33 ein zweites Geschwindigkeitsmesssignal nactN erfasst und an einen zweiten Eingang des dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 zugeordneten vierten Differenzglieds 17 angelegt. An einem Ausgang des vierten Differenzglieds 17 wird jeweils ein der Differenz aus dem ersten Geschwindigkeitsmesssignal nact1 und dem betreffenden zweiten Geschwindigkeitsmesssignal nactN entsprechendes Geschwindigkeitsdifferenzsignal bereitgestellt.
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Zum Konvertieren der Geschwindigkeitsdifferenzsignale in entsprechende zweite Motorstromdifferenzsignale wird für jeden zweiten Elektromotor 2 jeweils eine zweite Kenngröße bereitgestellt und in einem dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 zugeordneten zweiten Konvertierungslied 18 abgelegt. Mit Hilfe des zweiten Konvertierungslieds 18 wird ein dem betreffenden Geschwindigkeitsdifferenzsignal entsprechendes zweites Motorstromdifferenzsignal erzeugt.
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Jedem zweiten Elektromotor 2 ist jeweils ein Addierglied 19 mit einem ersten und einem zweiten Eingang zugeordnet. Der erste Eingang ist jeweils mit einem Ausgang des ersten Konvertierungslieds 16 des betreffenden zweiten Elektromotors 2 und der zweite Eingang mit einem Ausgang des zweiten Konvertierungslieds 18 des betreffenden zweiten Elektromotors 2 verbunden. An einem Ausgang jedes Addierglieds 19 wird jeweils ein Summensignal bereitgestellt, das der Summe aus dem dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 zugeordneten ersten Motorstromdifferenzsignal und dem dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 zugeordneten zweiten Motorstromdifferenzsignal entspricht.
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Wie in 4 erkennbar ist, ist jedem zweiten Elektromotor 2 jeweils ein fünftes Differenzglied 20 zugeordnet, das einen mit einem dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 zugeordneten Ausgang der Teilerstufe 12 verbundenen ersten Eingang und einen mit dem Ausgang des dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 zugeordneten Addierglieds 19 verbundenen zweiten Eingang aufweist. Ein Ausgang des fünften Differenzglieds 20 ist jeweils mit einem Eingang des dem betreffenden zweiten Elektromotor 2 zugeordneten Stromreglers 14 verbunden.
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Der dem ersten Elektromotor 1 zugeordnete Ausgang der Teilerstufe 12 ist direkt mit dem Stromregler 14 des ersten Elektromotors 1 verbunden. Die Struktur 39 bildet die mechanische Kopplung der Elektromotoren 1, 2 nach.
