DE102014105730A1 - Verfahren und Anordnung zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit eines Gleichstrommotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit eines bürstenlosen Gleichstrommotors (6) mit einem Stator, einem Rotor und einer Motorsteuereinheit, über die der Motor mehrphasig angesteuert wird, mit einem Datenspeicher (1) zur Speicherung von drehwinkelabhängigen Korrekturdaten des Steuerstroms des Motors (6), welche den Augenblickswerten zur Ansteuerung des Motors aufgeprägt werden. Erfindungsgemäß werden in einem ersten Schritt für jede Position des Rotors den Rotor in dieser Position haltende Strangströme ermittelt, aus denen Referenzstromdaten abgeleitet werden, welche in einer Tabelle des Datenspeichers (19) zusammen mit den jeweiligen von einem Positionssensor ermittelten Positionsdaten des Rotors abgespeichert werden, und in einem zweiten Schritt werden im laufenden Betrieb des Motors die im Datenspeicher hinterlegten positionsabhängigen Referenzstromdaten mit dem Steuerstrom des Motors verknüpft. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden die Referenzstromdaten so aufbereitet, dass sowohl Ausreißer als auch Rauschen entfernt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit eines Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Steuerung eines Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
• In vielen technischen Bereichen kommen Gleichstrommotoren zur Anwendung, insbesondere bürstenlose Gleichstrommotoren, die im Prinzip als Drehstromsynchronmaschinen mit Erregung durch Permanentmagnete ausgeführt sind. Das drehende magnetische Feld der Drehstromwicklung führt dabei zu einer Bewegung des permanenterregten Rotors. Durch Verwendung geeigneter Regler zeigt ein solcher Motor das Verhalten eines Gleichstrommotors. Derartige Motoren kommen insbesondere in kleinen Antrieben zum Einsatz. Bei Verwendung geeigneter Getriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis können auch bei kleinen Motoren hohe Drehmomente erreicht werden, wie es insbesondere im Roboterbau relevant ist.
• In der Regel ist die Drehstromwicklung eines solchen Motors dreisträngig ausgeführt.
• Durch Magnetisierungsvorgänge der eisenhaltigen Statorstruktur in den Spulen aber auch durch mechanische Ungenauigkeiten wie variable Stärken der Magnete, unterschiedlich ausgeprägte Wicklungen oder ungenau platzierte Magnete entstehen Drehmomentschwankungen, die gerade bei günstigen Motoren stark ausgeprägt sind. Diese Schwankungen sind bei Verwendung in hochpräzisen Anwendungen und bei kleinen Drehzahlen, wie sie im Falle von Robotergelenken auftreten, störend und ungeeignet, wenn eine hohe Präzision erforderlich ist. Zur Verringerung derartiger Drehmomentschwankungen können zwar auch Motoren mit höheren Phasenzahlen verwendet werden, jedoch erfordert dies höheren Aufwand und verursacht auch signifikant höhere Kosten.
• Ein anderer Ansatz zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit besteht darin, eisenlose Rotoren zu verwenden, die selbsttragende Spulen aufweisen. Gleichwohl lässt sich auf diese Weise die Drehmomentwelligkeit nur reduzieren, aber nicht vermeiden.
• Die Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors kann über eine sensorgesteuerte Kommutierung erfolgen, welche auch bei geringen Drehzahlen oder im Stillstand des Motors funktioniert. Bei höheren Ansprüchen ist es auch bekannt, eine Vektorregelung zu verwenden, bei der die Spannungen der Rotorphasen dem gewünschten Drehmoment angepasst werden.
• Es sind auch Systeme bekannt, bei denen die Drehmomentwelligkeit eines Motors elektronisch ausgeregelt wird, indem dem Steuerstrom des Motors während seiner Drehung Korrekturdaten aufgeprägt werden, die aus mechanischen Daten des Motors ermittelt wurden und in einem Speicher abgelegt sind, so dass sie positionsabhängig dem jeweiligen Motorstrom überlagert werden können. Ein solches System ist aus der DE 39 41 553 A1 bekannt. Dort sind in einem Funktionsspeicher mehrere verschiedene aus dem Kraft- und Drehmomentverlauf des Motors und ggf. einer angeschlossenen Last ermittelte verschiedene Einflüsse berücksichtige Datensätze in Form von Tabellen gespeichert, wobei die Datensätze positionsabhängig oder zeitabhängig abgerufen und mit einer Eingangsgröße verknüpft werden können, um zu positions- und zeitabhängigen Augenblickswerten zusammengesetzt zu werden. Die den Kraft- bzw. Drehmomentverlauf des Motors berücksichtigenden Datensätze werden dabei durch Messläufe zur Optimierung bzw. Erreichung des vorgegebenen Kraft- bzw. Drehmomentverlaufs eines Motors auf einem Mess- und Prüfstand ermittelt. Alternativ können die Datensätze aus einem Muster von gemessenen Parametern und /oder Kennlinien berechnet werden.
• Ein ähnliches Verfahren ist aus der EP 564 608 B1 bekannt. Auch dort wird ein Speicher mit einer Tabelle von Werten verwendet, die zur Korrektur der Steuerströme zum Antrieb des Motors verwendet werden.
• In der EP 1 638 200 B1 ist ein Verfahren zum Reduzieren der Drehmomentwelligkeit in einem Motor beschrieben, bei dem zwischen den Phasen der Motorsteuereinheit eine Spannungsdifferenz bestimmt wird und in einem Speicher Ausgleichsverstärkungen für die Phasen in Abhängigkeit der Phasenwinkel gespeichert werden, so dass die Verstärkung der jeweiligen Phasen so eingestellt werden kann, dass die Drehmomentwelligkeit reduziert wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit eines bürstenlosen Gleichstrommotors sowie eine Anordnung zur Ausführung eines derartigen Verfahrens anzugeben, mit denen die Drehmomentwelligkeit auch bei einfach aufgebauten Motoren weitestgehend ausgeglichen werden kann und Störgrößen in nahezu jeder Drehstellung des Motors ausgeglichen werden können.
• Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem Stator und einem Rotor mittels einer Motorsteuereinheit, über die der Motor mehrphasig angesteuert wird, und mit einem Datenspeicher zur Speicherung von drehwinkelabhängigen Korrekturdaten des Steuerstroms des Motors, welche den Augenblickswerten zur Ansteuerung des Motors aufgeprägt werden.
• Erfindungsgemäß werden in einem ersten Schritt für jede Position des Rotors den Rotor in dieser Position haltende Strangströme ermittelt, aus denen Referenzstromdaten abgeleitet werden, welche in einer Tabelle des Datenspeichers zusammen mit den jeweiligen Positionsdaten des Motors abgespeichert werden. In einem zweiten Schritt werden im laufenden Betrieb des Motors die im Datenspeicher hinterlegten positionsabhängigen Referenzstromdaten mit den Steuerströmen des Motors verknüpft.
• Die Erfindung beschreibt damit ein Verfahren zur Erzeugung von Korrekturdaten, die in einem Speicher abgelegt werden, um diese im laufenden Betrieb dem Steuerstrom des Motors aufprägen zu können, wodurch sich Unregelmäßigkeiten des Motorlaufs verschiedener Art ausgleichen lassen. In bevorzugter Weise wird ein bürstenloser Gleichstrommotor dazu zunächst in seiner Charakteristik in einem Prüflauf erfasst, wobei hier für jede einzelne Drehposition des Rotors die Drehposition beeinflussende Störgrößen erfasst werden, welche z. B. die Welligkeit aufgrund der permanentmagnetischen Erregung sein können, aber auch Einflussgrößen der Exzentrizität des Rotors, Lagereinflüsse, konstruktionsbedingte Einflüsse und Weiteres. Die auf diese Weise ermittelten Einflussgrößen werden als Korrekturdaten in einem elektronischen Speicher in Abhängigkeit von der jeweiligen Rotorposition des Motors gespeichert.
• Neben den im Wesentlichen statischen positionsabhängigen Störgrößen können die erfassten Korrekturdaten auch durch weitere Korrekturdaten ergänzt werden, die sich z. B. aus dem dynamischen Verhalten des Motors ergeben, wie Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Unwuchten, Reibungen, Temperaturen, soweit diese Daten erfasst werden können oder bereits bekannt sind.
• In einem zweiten Schritt, in dem der Motor im Normalbetrieb gefahren wird, werden die Korrekturdaten dem Steuerstrom des Motors aufgeprägt, so dass dieser an jeder Position des Rotors durch die Korrekturdaten so beeinflusst ist, dass sich damit ein gleichmäßiger Motorlauf mit gleichmäßigem Drehmoment ergibt.
• Die Korrekturdaten des Motors können auf einem Prüfstand ermittelt werden, wobei aufgrund des einfachen Aufbaus der Auswerteschaltung jeder einzelne Motor einer Serie ausgemessen werden kann, was insbesondere bei konstruktiv sehr einfachen und billigen Motoren besondere Vorteile bietet.
• Ein solcher Motor kann jedoch auch im bereits eingebauten Zustand ausgemessen werden, wodurch bei der Erfassung der Störgrößen auch an den Motor angeschlossene Konstruktionselemente, deren Einbau, Lage und weitere Einflussgrößen erfasst werden können.
• Die Positionserfassung des Rotors umfasst jede Winkelstellung des Rotors, so dass Korrekturgrößen über den gesamten Umlauf des Rotors erfasst werden können. Wenn zusätzlich oder alternativ eine Positionserfassung an einem nachgeschalteten Getriebe an dessen Ausgang durchgeführt wird, können Korrekturwerte auch für größere Drehwinkel des Motors als 360° erfasst werden, so dass damit auch eine Antriebskette bestehend aus Motor, Getriebe und ggf. weiteren mechanischen Elementen im Antriebsstrang erfasst werden können.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann einmalig an einem „jungfräulichen“ Motor ausgeführt werden. Es ist auch möglich, das Verfahren wiederholt in Abhängigkeit vom Verschleißgrad des Motors oder besonderen Belastungen auszuführen, oder das Verfahren jeweils vor dem Einsatz eines Betriebslaufs als „Kalibrierlauf“ durchzuführen.
• Die Ansteuerung des Motors erfolgt sowohl im Testbetrieb als auch im Normalbetrieb vorzugsweise über eine Vektorregelung, wobei die Steuerströme des Motors über eine Leistungselektronik als pulsweitenmodulierte Spannungen erzeugt werden, die über eine inverse Park-Transformation aus einem rotorbezogenen zweiphasigen Steuerstrom abgeleitet werden. Die Strangströme werden im Rückkopplungskreis über eine Park- und eine Clark-Transformation auf den Steuerstromeingang rückgeführt. Durch die Vektorregelung lässt sich ein statisches rotorbezogenes 2-Phasensystem in ein rotierendes statorbezogenes 2-Phasensystem transformieren. Über eine anschließende Pulsweitenmodulation und eine Leistungselektronik werden dreiphasige Strangströme erzeugt, die den Motor antreiben. Die dreiphasigen Steuerströme werden im Rückkopplungskreis über eine Clark-Transformation in ein rotierendes Zweiphasensystem rückgewandelt und über eine Park-Transformation wieder in ein Zweiphasensystem in Rotorkoordinaten transformiert, so dass sie als statische Ströme auf dem Steuerstrom zurückgekoppelt werden können. Der zum Halten des Motors im Testbetrieb in einer bestimmten Winkelstellung sich ergebende Steuerstrom wird in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Motors in einer elektronischen Tabelle gespeichert, aus der die so ermittelten Korrekturdaten im laufenden Betrieb des Motors dem jeweiligen Steuerstrom überlagert werden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass dem Steuerstromeingang ein Positionsprädiktorregler vorgeschaltet ist, über den die positionsbezogene Aufprägung der aus dem Datenspeicher ausgelegenen Referenzstromdaten auf den Steuerstrom in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors variiert werden kann.
• Aufgrund der endlichen Bandbreite und Amplitude des Vektorreglers können damit die im Speicher abgelegten Korrekturdaten in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors dem Steuerstrom an abweichenden Positionen aufgeprägt werden, so dass auf diese Weise geschwindigkeitsabhängige Fehler bei dem erfindungsgemäßen Korrekturverfahren ausgeglichen werden können.
• Bei der Ausmessung der Korrekturdaten werden aus Genauigkeitsgründen jeweils mehrere Messwerte zu jeder Drehstellung des Motors aufgenommen. Insbesondere aufgrund von Einschwingvorgängen des Reglers weichen einige Messwerte von dem tatsächlichen Wert teilweise erheblich ab. Anders als bei einfachem weißem Rauschen lässt sich das Signal nicht ohne weiteres durch die Ermittlung des Mittelwertes zur Korrektur verwenden. Daher werden aus den Referenzstromdaten solche Daten eliminiert, die vorgegebene Grenzwerte über- oder unterschreiten. Aus den verbliebenen Korrekturdaten kann dann eine Mittelwertkurve gebildet werden, deren Einzelwerte als positionsabhängige Korrekturdaten gespeichert werden.
• Ein derartiges Korrektursignal ist in vielen Fällen zum Ausgleich der Drehmomentwelligkeit ausreichend, jedoch wird ein verbessertes Verfahren zur Aufbereitung der Korrekturdaten bevorzugt, bei dem nach Entfernung von Daten, die vorgegebene obere und untere Grenzen überschreiten, die für jeden einzelnen Positionswert ermittelten Daten jeweils nach ihrer Größe derart sortiert werden, dass daraus ein Medianwert ermittelt werden kann. Um die jeweiligen Medianwerte, bezogen auf die einzelnen Rotorpositionen über den gesamten 360°-Winkel, wird ein Tunnel mit einer festen Fensterbreite gelegt, der damit ein Datenfenster bildet, das eine feste vertikale Breite aufweist, dessen jeweilige absolute Höhe in Abhängigkeit von dem jeweiligen Medianwert schwankt. Es werden nun nur noch diejenigen Korrekturdaten, die innerhalb des Fensters liegen, verwendet und es wird daraus ein Mittelwert gebildet, so dass damit Korrekturdaten erhalten werden, die von Ausreißern, statistischen Ungenauigkeiten und Reglereinflüssen weitestgehend befreit sind.
• Die Erfindung ermöglicht es auch, abhängig vom Betriebszustand des Motors oder dem Belastungszustand zwischen mehreren gespeicherten Korrekturkurven zu wechseln, die in Abhängigkeit von bestimmten Parametern, z. B. der Belastung oder der Drehzahl ausgewählt werden. Die Umschaltung zwischen den Kurven kann automatisch im laufenden Betrieb auch während eines Umlaufs des Motors oder nur an bestimmten Winkelpositionen erfolgen.
• Die erfindungsgemäße Anordnung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors enthält einen Positionssensor am Rotor des Motors zur Erfassung der momentanen relativen oder absoluten Position des Rotors. Beim Testlauf des Motors werden die Strangströme zur Ansteuerung des Motors in drehwinkelabhängigen Positionen festgestellt und als positionsbezogene Referenzstromwerte zunächst in einem Datenspeicher gespeichert. Die Referenzstromwerte können im laufenden Betrieb des Motors aus dem Datenspeicher ausgelesen werden und dem Steuerstrom zur Steuerung des Motors aufgeprägt werden.
• Die Anordnung enthält insbesondere eine Vektorregelung, die Folgendes umfasst: ein Transformationsmodul (inverse Park-Transformation) im Vorwärtsweg des Reglers zur Wandlung von einem rotorbezogenen 2-Phasensystem in ein statorbezogenes 2 Phasensystem, einer Leistungselektronik zur dreiphasigen Ansteuerung des Motors, ein Transformationsmodul (Clark-Transformation) zur Rückwandlung der Strangströme des Rotors in ein statorbezogenes 2-Phasensystem, und ein Transformationsmodul zur Umwandlung des statorbezogenen 2-Phasensystems in ein rotorbezogenes 2-Phasensystem, dessen Stromwerte auf den Steuerstrom rückgekoppelt werden.
• Die Reglerarchitektur des Vektorreglers ist vorzugsweise als Software-Steuerung ausgeführt, die in einem digitalen Signalprozessor aufgenommen ist. Lediglich die Leistungselektronik bzw. Verstärkungsschaltung zur Ansteuerung der Strangströme des Motors sind hardwaremäßig ausgeführt. Die Vektorregelung verwendet im Wesentlichen als solche bereits bekannte Transformationsmodule, wie eine Park-Transformation und eine Clark-Transformation. Der Speicher zur Aufnahme der Korrekturdaten ist vorzugsweise ebenfalls Teil des digitalen Signalprozessors.
• Um Reglerverzögerungen und Positionserfassungs-Laufzeiteinflüsse ausgleichen zu können, wird vorzugsweise ein Positionsprädiktorregler verwendet, der aus der Rotordrehzahl und der Winkelauflösung des Positionssensors im laufenden Betrieb des Motors einen neuen Positionswert ermittelt, an dem die Referenzstromdaten der ursprünglichen Position in Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl des Motors dem Steuerstrom aufgeprägt werden. Damit können auch bei hohen Motordrehzahlen genaue positionsabhängige Korrekturen vorgenommen werden.
• Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Roboter, bei dem eine Vielzahl von Gelenken durch bürstenlose Gleichstrommotoren angetrieben werden, welche eine hohe Präzision erfordern. Gleichwohl lassen sich durch die Erfindung kostengünstige Motoren einsetzen. Des Weiteren erlaubt die Erfindung auch die Einbeziehung von Getrieben und anderen mechanischen Komponenten in den Korrekturprozess des Antriebsmotors.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1a, b eine schematische Darstellung von konstruktionsbedingten Einflussgrößen an einem bürstenlosen Gleichstrommotor auf die Drehmomentwelligkeit,
• 2 einen prinzipiellen Schaltungsaufbau einer Anordnung zur Erfassung von Korrekturdaten eines bürstenlosen Gleichstrommotors,
• 3 eine Anordnung zur Korrektur des Steuerstroms mit Hilfe von aus einem Speicher abgelesenen Korrekturdaten,
• 4 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Verbesserung der ermittelten Korrekturdaten, und
• 5 eine Darstellung zur Erläuterung einer Korrektur von drehzahlabhängigen Einflussgrößen bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
• 1a zeigt eine Prinzipdarstellung eines mechanischen Äquivalents eines bürstenloses Gleichstrommotors, bei dem ein Rotor 1 über Federn 2 und 3 an einem Gleichgewichtspunkt befestigt ist. Die Federkraft am Gleichgewichtspunkt entspricht im Wesentlichen der über die Feder 2 an diesem Punkt angreifenden Kraft minus der Federkraft der Feder 3 aufgrund der Auslenkung des Rotors 1 aus der Gleichgewichtslage.
• In 1b ist ein entsprechendes Diagramm dargestellt, das einen Nordpol 4 und einen Südpol 5 zeigt, die das Permanentmagnetfeld bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor darstellen. Um einen Rotor 1 in die Gleichgewichtslage zwischen dem Permanentmagneten zu bringen, ist ein Strom erforderlich, der zur Kompensation der magnetischen Kräfte, symbolisiert durch Federn 2 und 3, erforderlich ist.
• 2 zeigt eine Regelschaltung zur Ermittlung von Korrekturdaten zum Ausgleich von Drehmomentwelligkeiten an einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
• Aus der Rotorstellung des Motors 6 wird über einen PI-Regler ein Referenzstrom i_q,ref abgeleitet, der als Führungsgröße über einen Vektorregler den Motor 6 so einstellt, dass dieser eine bestimmte Drehwinkelposition einhält. Die Führungsgröße ist in einem zweiphasigen rotorbezogenen Koordinatensystem dargestellt. Über PI-Regler 11, 12 und eine anschließende inverse Park-Transformation 7 wird das statische rotorbezogene Koordinatensystem in ein rotierendes Koordinatensystem mit den Spannungen U_β und U_α umgewandelt. In einem Funktionsblock 8 erfolgt eine Pulsweitenmodulation und Verstärkung des rotierenden 2-Phasensystems in einem rotierenden 3-Phasensystem, bei dem der Verstärker Strangströme 13, 14 und 15 zur Ansteuerung des Motors 6 erzeugt. Die Rückführung der Regelgröße erfolgt über eine Clark- und eine Parktransformation, wobei in der Clark-Transformation die in Statorkoordinaten erfassten rotierenden Strangströme in zweiphasige rotierende Ströme gewandelt werden und das rotierende 2-Phasensystem durch die Parktransformation in ein statisches rotorbezogenes 2-Phasensystem überführt wird. Die auf diese Weise erfassten Stromdaten i_q,ref werden auf die jeweilige Drehwinkelposition des Motors 6 bezogen in einem Datenspeicher 19 aufgezeichnet.
• Wenn die Korrekturdaten nicht nur auf den Drehwinkel des Motors 6 bezogen werden sollen, sondern auch ein nachfolgendes Getriebe einbezogen werden soll, kann der Positionssensor auch an einer nachfolgenden Stufe angebracht werden, so dass die gesamte Einheit bestehend aus Motor und Getriebe und eventuell weiterer mechanische Komponenten zur Korrekturdatenerfassung verwendet werden kann, so dass die Korrekturdaten sich auf die Drehwinkelposition, z. B. der Ausgangswelle eines Getriebes, beziehen. Es ist auch möglich, Korrekturdaten zu erfassen, die sich einerseits auf die Drehmomentwelligkeit des Rotors beziehen und andererseits weitere Störgrößen in einem an den Motor angeschlossenen Getriebe erfassen, wobei die Korrekturdaten beim Lauf des Motors einander überlagert sein können.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Reduzieren der Drehmomentwelligkeit verwendet wenigstens zwei Stromsensoren, die die Ausgangsströme an jeder Phase der Motoreinheit detektieren. Es ist ein Positionssensor am Rotor des Motors erforderlich, der die relative oder absolute Rotorposition feststellt. Die Stromsensoren führen auf einen Prozessor, dessen Ausgang mit einer Verstärkungsstufe gekoppelt ist, wobei der Prozessor eine zu den Strangströmen äquivalente Spannung an jeder Phase der Motorsteuereinheit einspeist. Der Prozessor enthält gleichzeitig den Speicher, der die Kompensationsströme zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeiten auslesen kann. Die Korrekturdaten in Form von Stromamplituden für jede der Rotorwinkelstellungen werden entsprechend einem Additionsfaktor dem Steuerstrom für jeden der Rotorwinkelstellungen hinzugefügt.
• 3 zeigt eine entsprechende Ansicht von 2, bei dem die aus dem Speicher 19 ausgelesenen Korrekturdaten i_q,cog 21 einem Steuerstrom 18 überlagert werden, so dass dem Regler ein die Korrekturdaten berücksichtigender Steuerstrom i*_q,ref zugeführt wird. Der Motor 6 erhält dadurch korrigierte Ansteuerströme, die zu einem Ausgleich einer drehmomentabhängigen Welligkeit des Motorantriebs führen.
• 4 zeigt eine Darstellung zur Aufbereitung der erfassten Korrekturdaten. In 4a ist dargestellt, dass zu jeder Winkelposition des Motors eine Mehrzahl von Korrekturdaten erfasst wird, die für jeden Winkel eine sogenannte Punktwolke 22 bilden. Aus diesen positionsabhängigen Punktwolken kann ein nach Drehwinkeln sortierter Mittelwert 23 errechnet werden, der in 4b dargestellt ist. Dieser Mittelwert 23 zeigt einige Ausreißer, die beispielsweise auf Reglerungenauigkeiten und Einschwingverhalten beruhen. Durch eine geeignete Begrenzungsschaltung können Ausreißer der in 4b gezeigten Art aus den jeweiligen Punktwolken entfernt werden. Die damit verbesserten Amplitudenwerte der erfassten Korrekturwerte werden dann zunächst nach ihrer Größe sortiert und es wird der jeweilige Medianwert der Daten ermittelt. Bezogen auf diese Medianwerte entlang des gesamten 360°-Umfangs wird nun gemäß 4c eine Hüllkurve festgelegt, die einen festen Tunnel (24) für die jeweiligen Medianwerte bildet. Damit lassen sich Datenwerte, die beispielsweise auf Rauschen oder anderen Unstetigkeiten beruhen, aus den Korrekturdaten ausgrenzen. Nun wird aus den innerhalb des Tunnels liegenden Datenwerten ein Mittelwert erzeugt, welcher eine positionsbezogene Kurve 25 der Korrekturdaten bildet, wie sie in 4d dargestellt ist. Diese Daten werden im Speicher abgelegt und beim Lauf des Motors im Normalbetrieb zur Korrektur der Führungsgröße verwendet.
• Mit Hilfe dieses Verfahrens kann eine einfache, aber genaue Datenaufbereitung erfolgen, ohne dass Filterfunktionen, die eine aufwendige Signalverarbeitung erfordern würden, erforderlich wären. Als Ergebnis ergibt sich ein im Wesentlichen glattes Kompensationssignal 25, das beim Betrieb des Motors zur Kompensation der Drehmomentwelligkeit zu Verfügung steht.
• Bei Verwendung eines Positionsprädiktorreglers können die Korrekturdaten dem Steuerstrom des Motors auch zu einem Zeitpunkt zugeführt werden, der von der tatsächlichen Regelposition des Motors abweicht. Damit ist es möglich, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Motors den jeweiligen Zeitpunkt der Aufbringung der Korrekturdaten zu variieren, um so Laufzeitdifferenzen des verwendeten Reglers und weitere geschwindigkeitsabhängige Steuergrößen auszugleichen.
• In 5 ist eine Darstellung mehrerer Kurven bei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten eines Motors dargestellt, bei denen die jeweiligen geschwungenen Kurven 26 eine verbleibende Drehmomentwelligkeit bei höheren Drehzahlen zeigen, während die jeweiligen im Wesentlichen geradlinigen Kurven 27 den Zustand darstellen, wenn ein Positionsprädiktorregler verwendet ist, der eine Verschiebung der Korrekturdaten ermöglicht.
• Die Berechnung der Verschiebung erfolgt durch Feststellung der Rotorfrequenz des in einem Rechenschritt zurückgelegten Winkels unter Berücksichtigung der Sensorauflösung. Damit lässt sich eine neue Position zur Aufbringung des Korrektursignals ermitteln. In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist es auch möglich, eine Verschiebung der Position nicht nur bei Annahme einer konstanten Geschwindigkeit des Motors, sondern auch in Abhängigkeit von Geschwindigkeitsänderungen, d. h. einer Beschleunigung oder Abbremsung, vorzunehmen.
• Bei dem Verfahren zur Erfassung der Rotor-/Sensorpositionen hängt die Genauigkeit der Erfassung auch von der Auflösung des Positionssensors ab. Daher sollte die Auflösung so hoch sein, dass neben den konstruktiv bedingten Störgrößen aufgrund der durch die Magnete bewirkten Drehmomentwelligkeit auch sonstige Einflussgrößen, wie Störgrößen aus der Lagerung, usw. ausgeglichen werden können.
• Bezugszeichenliste

1

Rotor

2

Feder

3

Feder

4

Magnet (Nord)

5

Magnet (Süd)

6

Motor

7

Inverses Park Transmissionsmodul

8

Pulsweiten-Modul und Inverter

9

Clark-Transmissionsmodul

10

Park-Transmissionsmodul

11

PI-Regler

12

PI-Regler

13

Strangstrom i_c

14

Strangstrom i_b

15

Strangstrom i_a

16

PI-Regler

17

Strom i_d

18

Referenzstrom i_q,ref

19

Speicher

20

korrigierter Strom i_q*_,ref

21

Korrekturdaten i_q,cog

22

Punktwolke

23

Mittelwert

24

Tunnel

25

Referenzstromwert

26

geschwungene Kurve

27

geradlinige Kurve

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 3941553 A1 [0007]
• EP 564608 B1 [0008]
• EP 1638200 B1 [0009]

Claims (11)

1. Verfahren zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit eines bürstenlosen Gleichstrommotors (6) mit einem Stator, einem Rotor und einer Motorsteuereinheit, über die der Motor mehrphasig angesteuert wird, mit einem Datenspeicher (1) zur Speicherung von drehwinkelabhängigen Korrekturdaten des Steuerstroms des Motors (6), welche den Augenblickswerten zur Ansteuerung des Motors aufgeprägt werden, dadurch gekennzeichnet, – dass in einem ersten Schritt für jede Position des Rotors den Rotor in dieser Position haltende Strangströme ermittelt werden, aus denen Referenzstromdaten abgeleitet werden, welche in einer Tabelle des Datenspeichers (19) zusammen mit den jeweiligen von einem Positionssensor ermittelten Positionsdaten des Rotors abgespeichert werden, und – dass in einem zweiten Schritt im laufenden Betrieb des Motors die im Datenspeicher hinterlegten positionsabhängigen Referenzstromdaten mit dem Steuerstrom des Motors derart verknüpft werden, dass die ursprüngliche Drehmomentwelligkeit des Motors aufgehoben oder verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, der über eine Vektorregelung (7, 8, 9, 10) angesteuert wird, wobei die Strangströme des Motors über eine Leistungselektronik als pulsweitenmodulierte Spannungen erzeugt werden, die über eine umgekehrte Park-Transformation (7) aus einem zweiphasigen Steuerstrom abgeleitet werden, und wobei die Strangströme im Rückkopplungskreis über eine Clark(9)- und eine Park(10)-Transformation auf den Steuerstrom rückgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionsprädiktorregler (16) vorgesehen ist, über den die positionsbezogene Aufprägung der aus dem Datenspeicher (19) ausgelesenen Referenzstromdaten auf den Steuerstrom in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors variiert werden kann.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den an jeder Rotorposition ermittelten Referenzstromdaten solche Daten eliminiert werden, die vorgegebene Grenzwerte über- oder unterschreiten.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die Referenzstromdaten nach ihren Medianwerten sortiert werden, – dass um die ermittelten Medianwerte über den gesamten erfassten Drehwinkelbereich ein Tunnel (24) gebildet wird, die in einem festen Abstand um die positionsbezogenen Medianwerte verläuft, – dass aus den innerhalb der Hüllkurve liegenden Referenzstromdaten jeweils ein gemittelter Wert errechnet wird, und – dass die derart ermittelten Werte als bereinigte Referenzstromwerte (25) in dem Speicher (19) abgespeichert werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung an bürstenlosen Gleichstrommotoren in Gelenken eines Roboters zum Ausgleich einer Drehmomentwelligkeit
7. Anordnung zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors zur Erfassung und zum Ausgleich einer Drehmomentwelligkeit des Motors (6) mit einem Stator und einem Rotor mittels einer Motorsteuereinheit, über die der Motor (6) mehrphasig ansteuerbar ist, mit einem Positionssensor am Rotor des Motors zur Erfassung der momentanen relativen oder absoluten Position des Rotors, und mit einem Datenspeicher zur Speicherung von drehwinkelabhängigen Korrekturdaten des Steuerstroms des Motors, welche den Augenblickswerten zur Ansteuerung des Motors aufgeprägt werden können, dadurch gekennzeichnet, – dass wenigstens zwei Stromsensoren zur Erfassung der Strangströme des Rotors vorgesehen sind, – dass die Strangströme zur Ansteuerung des Motors in drehwinkelabhängigen Positionen des Rotors feststellbar und als positionsbezogene Referenzstromwerte in einem Datenspeicher speicherbar sind, und – dass die Referenzstromwerte im laufenden Betrieb des Motors aus dem Datenspeicher (19) auslesbar und dem Steuerstrom zur Steuerung des Motors aufprägbar sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuereinheit eine Vektorregelung enthält, die Folgendes umfasst: eine Transmissionsmodul (7) zur Wandlung des Steuerstroms aus einem statischen 2-Phasensystem in ein rotierendes 2-Phasensystem, eine Leistungselektronik (8) zur dreiphasigen Ansteuerung des Rotors, ein Transformationsmodul (9) zur Umwandlung der Strangströme des Rotors in ein rotierendes 2-Phasensystem, und ein Transformationsmodul (10) zur Umwandlung des rotierenden 2-Phasensystems in ein statisches 2-Phasensystem, dessen Stromwerte auf den Steuerstrom rückgekoppelt werden.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik ein Modul zur Pulsweitenmodulation und eine Schaltung zur Verstärkung der Phasenspannungen des Rotors aufweist.
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerstrom über einen Positionsprädiktorregler geführt ist, der aus der Rotordrehzahl und der Winkel-Auflösung des Positionssensors einen neuen Positionswert ermittelt, an dem im laufenden Betrieb des Motors die Referenzstromdaten der ursprünglichen Position in Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl des Motors dem Steuerstrom an einer neuen Position aufgeprägt werden.
11. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Korrekturdaten an einem bürstenlosen Gleichstrommotor erfolgt, dem ein Getriebe nachgeschaltet ist und der im Gelenk eines Roboters eingesetzt ist, wobei die Korrekturdaten in Abhängigkeit von der Position des Motors (6) und/oder der Position einer dem Motor (6) nachgeschalteten Getriebe- oder weiteren Antriebseinheit erfasst werden.

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