DE102017012097A1

DE102017012097A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Generierung einer Ansteuervorschrift für eine Erregergröße eines elektromotorischen Antriebssystems

Info

Publication number: DE102017012097A1
Application number: DE102017012097.8A
Authority: DE
Inventors: Heiko Weiß
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Das vorgeschlagene Verfahren dient der Reduzierung von Kraftschwankungen und Lärmemissionen eines rastkraftgeprägten elektromotorischen Antriebssystems, insbesondere eines linearen Hybridschrittmotors. Dies wird erfindungsgemäß mit einer variabel und stufenlos einstellbaren Erregergröße realisiert, deren Ansteuervorschrift durch Modellbildung, Parameteridentifikation und Lösung einer Optimierungsaufgabe generiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Generierung einer Ansteuervorschrift für eine Erregergröße eines rastkraftbehafteten elektromotorischen Antriebssystems, insbesondere eines nach dem Hybridschrittmotorprinzip arbeitenden Elektromotors (s. hierzu US3376578A ). Diese werden u.a. für Werkzeugmaschinen, zum Zusammenbau und für Montagearbeiten, für Druckmaschinen und in der Halbleiterindustrie eingesetzt. Jedoch ist die Funktionsweise eines Hybridschrittmotors durch Schwankungen seiner dynamischen Gesamtkraft und den damit verbundenen erhöhten Lärmemissionen charakterisiert. Dies wird vor allem im Mensch-Maschine-Arbeitsfeld als störend empfunden. Da die Kraftschwankungen proportional zu dem Erregerfluss (Magnetfluss) sind, ist es wünschenswert, diesen nach Bedarf zu reduzieren, ohne dabei die Bewegungsdynamik der Motoren zu verschlechtern.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Reduzierung der beschriebenen Kraft- respektive Drehmomentschwankungen bekannt, welche hauptsächlich konstruktive Modifikationen der Antriebssysteme umfassen.
So wird z.B. in JP4183260A die Änderung der Zahngeometrie in eine Dreiecksform beschrieben, um damit die vertikalen Magnetflüsse zu senken und die horizontalen zu erhöhen. In der Folge soll eine Schwingungsreduzierung erreicht werden. Zur Gleichlaufverbesserung wird weiter in JP1016246A vorgeschlagen, die Zahnteilungsperiode von Stator und Läufer unterschiedlich zu gestalten. Schließlich wird zur Minimierung der Rastkräfte in der DE112008002686T5 ein Synchronlinearmotor vorgestellt, dessen Läufer in verschiedene Sektionen eingeteilt ist, die in Querrichtung versetzt angeordnet sind.
Den konstruktiven Modifikationen zum Zweck der Schwingungsreduzierung stehen jedoch auch Nachteile, wie z.B. eine reduzierte Maximalkraft, gegenüber. Daher sind im Stand der Technik auch steuerungs- und regelungstechnische Ansätze zur Reduzierung der Kraftschwankungen von elektromotorischen Antriebssystemen zu finden.
So wird in EP2131484A1 vorgeschlagen, auf Basis eines Modells oder mit einem Kraftsensor den Stellstrom so zu regeln, dass eine möglichst konstante Kraft erzeugt wird. Weitere Verfahren zur Schwingungsreduzierung zielen auf die Kompensation der Welligkeiten durch eine Vorsteuerung ab. Dazu wird nach DE102009000928A1 ein Vorsteuersignal durch Bestimmung von Phase und Amplitude einer harmonischen Funktion unter Berücksichtigung des aktuellen Winkels des Rotors zur Verfügung gestellt und zu dem Stellsignal des Reglers addiert. Dagegen wird in EP0871286A1 die Drehmomentwelligkeit direkt gemessen, gefiltert, weiterverarbeitet und schließlich im Stellsignal berücksichtigt. Außerdem sind in DE 102004035954A1 und US6294891B1 Methoden zur Modifikation des regulären Stellsignals beschrieben, welche dieses so adaptieren, dass ein gewünschtes Betriebsverhalten im Sinne reduzierter Welligkeit und Geräuschreduzierung erzielt wird. Des Weiteren ist aus CN106602941A bekannt, die Phase der Kommutierung so zu verschieben, dass eine Synchronität mit der Motorkonstanten hergestellt und damit eine reduzierte Welligkeit realisiert werden kann. Dabei wird jeder Phasenstrom und mittels Hallsensoren der magnetische Fluss gemessen, um daraus einen voranschreitenden Phasenwinkel zu berechnen. Schließlich wird eine in der Literatur bekannte Methode des Direct Torque Control (DTC) in CN106788042A vorgeschlagen, bei der neben einem Beobachter eine Vektorregelung zum Einsatz kommt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein neuartiges Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur Generierung einer Ansteuervorschrift für eine variable, stufenlos einstellbare Erregergröße eines elektromotorischen Antriebssystems, insbesondere eines nach dem Hybridschrittmotorprinzip arbeitenden Elektromotors, bereitzustellen, mit denen es gelingt, die Schwankungen der Gesamtkraft und die damit verbundenen Lärmemissionen zu reduzieren, ohne dabei jedoch die Bewegungsdynamik des Antriebssystems einzuschränken.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und neunten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein elektromotorisches Antriebssystem mit variabler Erregung stufenlos eingestellt. Die variable Erregung kann beispielsweise in Form von zusätzlichen im Magnetkreis integrierten Spulen umgesetzt werden. Neben einer reinen variablen Erregung kann auch eine Kombination aus konstanter und variabler Erregung erfolgen. Allerdings ist dabei zu beachten, dass der Einfluss der variablen Erregung ausreichend groß ist, um den Magnetfluss und damit das Systemverhalten entscheidend zu verändern.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen am Beispiel eines linearen Hybridschrittmotors erläutert. Es ist selbstverständlich auch möglich, dieses Verfahren für die Ansteuerung von planaren oder rotatorischen Hybridschrittmotoren oder allgemein für rastkraftgeprägte Rotationsmotoren anzuwenden, wobei auch hier die Bedingung der ausreichenden großen variablen Erregung erfüllt sein muss.
Es zeigt:

1 - ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
2- eine exemplarische Ansteuervorschrift mit zwei systemrelevanten Größen n (Stellgröße u und Geschwindigkeit v) für eine variable Erregergröße w eines linearen Hybridschrittmotors als Look-Up-Tabelle
3- Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einer Motorsteuerung

Das hier vorgeschlagene Verfahren dient der Reduzierung von Kraftschwankungen und Lärmemissionen eines Antriebssystems, insbesondere eines linearen Hybridschrittmotors. Dies wird erfindungsgemäß mit einer variabel und stufenlos einstellbaren Erregergröße realisiert.
Für die Generierung einer Ansteuervorschrift für eine variable Erregergröße w eines zugrundeliegenden Antriebssystems wird in einem ersten Schritt ein mathematisches Modell entsprechend dem physikalischen Systemverhalten erzeugt. Das zugrunde liegende Systemverhalten ist charakterisiert durch eine reguläre Stellgröße u, welche eine Antriebskraft F_A bedingt, durch Reibungskräfte F_R und durch Steifigkeitskräfte F_K. Die Modellierungsgrundlage ist somit ein klassisches Masse-Feder-Dämpfer-System. Dabei ist zu beachten, dass die Wirkungen der Rastkräfte des Antriebssystems in Form einer Reibungskraft F_R modelliert werden. Insbesondere ist der Einfluss der variablen Erregergröße w auf die Rastkräfte von Bedeutung. In Abhängigkeit von dem vorliegenden Antriebssystem ist eine von der Läuferposition s abhängige Steifigkeitskraft F_K zu modellieren, die beispielsweise durch Kabelschleppen verursacht wird. Ebenso ist bei entsprechender Beeinflussung des realen Systemverhaltens für die Modellierung der primär von der Geschwindigkeit v des Läufers abhängigen Reibungskraft F_R zusätzlich die Position s des Läufers einzubeziehen.
Grundlegend für das erfindungsgemäße Verfahren ist die dynamische Gesamtkraft F_dyn mit den jeweiligen Abhängigkeiten, welche die Bewegung der Läufermasse m_L bestimmt. Die dynamische Gesamtkraft Fdyn wird aus der Summe der einzelnen genannten Kraftkomponenten gebildet (2. Newtonsches Gesetz): $F_{d y n} (u, w, s, v) = F_{A} (u, w) - F_{R} (w, s, v) - F_{K} (s) = m_{L} \cdot \ddot{s}$
In Gleichung (1) werden keine Kraftschwankungen F_KS berücksichtigt, da hier das reine Bewegungsverhalten für große Bewegungsbereiche abgebildet werden soll.
Allerdings sind die Kraftschwankungen relevant für das Schwingungsverhalten des Antriebssystems und haben entscheidenden Einfluss auf die Geräuschemission, weshalb deren exakte Modellierung für das erfindungsgemäße Verfahren ebenso erforderlich ist.
Nach der Formulierung des mathematischen Modells (1) müssen in einem zweiten Schritt dessen Parameter p bestimmt werden, um die Systemeigenschaften möglichst gut simulieren zu können. Dafür sind in der Literatur bekannte Methoden der Parameteridentifikation anzuwenden. Die Modellbildung und Parameteridentifikation kann vorzugsweise über mehrere Iterationen realisiert werden.
Sind im Ergebnis der Iterationen die Modellparameter p hinreichend gut identifiziert, ist in einem dritten Schritt die Optimierung durchzuführen, welche zu einer Ansteuervorschrift der variablen Erregergröße w führt. Dabei beinhaltet die Optimierung zwei Zielkriterien: Zum einen soll die dynamische Kraft Fdyn maximiert werden, was mathematisch mit einem negativen Vorzeichen zu berücksichtigen ist. Zum anderen sind die Kraftschwankungen F_KS zu minimieren. Zur Einstellung einer Balance der beiden Zielkriterien wird der Faktor g_KS eingeführt, womit das Potential zur Reduzierung der Kraftschwankungen F_KS und damit der Geräuschminderung eingestellt werden kann. Eine zu große Gewichtung g_KS kann allerdings den Betrieb des Antriebssystems einschränken bzw. außer Kraft setzen, sodass eine realisierbare und im Sinne der Geräuschreduzierung optimale Einstellung anzustreben ist. Die zu minimierende Funktion ergibt sich schließlich wie folgt: $\underset{w}{Min} (- F_{d y n} (u, w, s, v) + g_{K S} \cdot F_{K S} (u, v))$
Dabei wird nur die Amplitude der Kraftschwankungen F_KS betrachtet, die der Stärke unabhängig von der Läuferposition entspricht. Zur Lösung des Optimierungsproblems (2) kann ein aus dem Stand der Technik bekanntes nichtlineares Optimierungsverfahren verwendet werden. Die Optimierung beruht auf der Einbeziehung aller systemrelevanten Größen n (z.B. Stellgröße u, Läuferposition s, Läufergeschwindigkeit v), welche den Eingangsraum darstellen. Daher sind jeweils für jede systemrelevante Größe n ein Definitionsbereich und Stützstellenvektor festzulegen. Die Optimierung wird dann für den Eingangsraum durchgeführt und das Ergebnis stellt die Abbildungsvorschrift für die variable Erregergröße w dar: $f_{w} (u, v, s) \to w$
Es liegt gleichfalls im Bereich der Erfindung, dass der Eingangsraum auch eine kleinere oder größere Anzahl von systemrelevanten Größen n umfasst, sodass allgemein für eine nach diesem Verfahren optimierte Ansteuerfunktion gilt: $f_{w} : R^{n} \to R$
Nach der Optimierung kann die Implementierung der Ansteuervorschrift (4) auf einer Hardware erfolgen (Schritt 4). Da die variable Erregergröße w das dynamische Verhalten des Antriebssystems beeinflusst, ist es erforderlich, die systemrelevanten Größen n der optimierten Ansteuerfunktion so zu konditionieren, dass sich negative Signaleigenschaften nicht auf die variable Erregergröße w auswirken. Daher ist je nach Notwendigkeit eine Manipulation der systemrelevanten Größen n im Sinne der Systemperformance optional vorzunehmen. Dazu können die Signale einer mathematischen Operation (bspw. Absolutwertbildung) unterzogen werden. Weiterhin ist eine Filterung der systemrelevanten Größen n notwendig, um störende Rauscheinflüsse von Messgrößen zu beseitigen. Die dazugehörigen Parameter können empirischexperimentell oder mittels mathematischer Optimierung ermittelt werden.
Die aus der Optimierung enthaltene Ansteuervorschrift (4) unter Vernachlässigung der Positionsabhängigkeit für einen bestimmten Hybridschrittmotor ist in 2 gezeigt und kann in Form einer Look-Up-Tabelle oder einer analytischen Funktion hinterlegt werden.
Die Eingangsdimension beträgt hier mit der Stellgröße u und Läufergeschwindigkeit v zwei und ermöglicht somit eine anschauliche Darstellbarkeit.
Der auf einer digitalen Datenverarbeitungseinheit zu integrierende Funktionsbaustein besteht aus einer mathematischen Konditionierung der systemrelevanten Größen n (Stellgröße u und Läufergeschwindigkeit v) und der Ansteuervorschrift. Die Einbindung des Funktionsbausteins innerhalb der Struktur einer Motion-Control-Hardware ist exemplarisch in 3 veranschaulicht: Neben den für einen dreiphasigen Motor ermittelten Phasenströmen I₁ , I₂ und I₃ wird die nach der optimierten Ansteuervorschrift (2) berechnete variable Erregergröße w ausgegeben, sodass der Motor mit reduzierten Kraftschwankungen und damit Geräuschen betrieben werden kann.
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

US 3376578 A [0001]
JP 4183260 A [0002]
JP 1016246 A [0002]
DE 112008002686 T5 [0002]
EP 2131484 A1 [0003]
DE 102009000928 A1 [0003]
EP 0871286 A1 [0003]
DE 102004035954 A1 [0003]
US 6294891 B1 [0003]
CN 106602941 A [0003]
CN 106788042 A [0003]

Claims

Verfahren zur Generierung einer Ansteuervorschrift für eine Erregergröße w eines elektromotorischen Antriebssystems umfassend die Schritte: • Bildung eines mathematischen Modells (1) für das elektromotorische Antriebssystem aus dynamischer Gesamtkraft Fdyn, verursachender Antriebskraft F_A, Reibungskraft F_R und Steifigkeitskraft F_K • Identifikation von Modellparametern p des elektromotorischen Antriebssystems • Formulierung und Lösung einer Optimierungsaufgabe (2) unter Berücksichtigung von Schwankungen F_KS der dynamischen Gesamtkraft Fdyn, in deren Ergebnis eine Ansteuervorschrift (3) für die variable, stufenlos einstellbare Erregergröße w vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mathematische Modell (1) des elektromotorischen Antriebssystems nach der Identifikation der Modellparameter p iterativ optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Rastkräfte des elektromotorischen Antriebssystems als Reibungskraft F_R modelliert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der Formulierung der Optimierungsaufgabe (2) die Maximierung der dynamischen Gesamtkraft Fdyn und die Minimierung der Kraftschwankungen F_KS als Zielkriterien verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Optimierungsaufgabe (2) mit einem nichtlinearen Optimierungsverfahren gelöst wird, für welches die systemrelevanten Größen n als Eingangsraum und deren Definitionsbereiche festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei als systemrelevante Größen n eine Stellgröße u, die Läuferposition s und die Läufergeschwindigkeit v verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die als Eingangsraum definierten systemrelevanten Größen n mit Hilfe mathematischer Operationen konditioniert und gefiltert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die generierte Ansteuervorschrift (4) für die Erregergröße w als Look-Up-Tabelle oder als analytische Funktion in einer Speichereinheit hinterlegt wird.
Vorrichtung zur Generierung einer Ansteuervorschrift (4) für eine Erregergröße w eines elektromotorischen Antriebssystems, die dafür ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, umfassend eine Datenverarbeitungseinheit, wobei die Datenverarbeitungseinheit einen Funktionsbaustein mit mathematischen Operatoren und Filtern für die Konditionierung der systemrelevanten Größen n des Eingangsraums und die hinterlegte Ansteuervorschrift (4) für die variable Erregergröße w aufweist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Steuerung eines linearen, planaren oder rotatorischen rastkraftgeprägten elektromotorischen Antriebssystems mit variabler Erregung.