DE102021128575B3

DE102021128575B3 - Aufteilung der Last an einer Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021128575B3
Application number: DE102021128575.5A
Authority: DE
Inventors: Uwe Leonhardt; Colin Leitner; Christian TRAPP; Sergio Delgado
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2023-02-23
Anticipated expiration: 2041-11-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen einer Lastzuweisung an einer Antriebsvorrichtung für eine Menge von Aktuatoren, die dieselbe Antriebsvorrichtung antreiben. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:- Erfassen (S1) einer Ist-Position eines Aktuators (110-1) der Menge von Aktuatoren (10-x);- Ermitteln (S2) eines Ist-Drehmomentes für jeden Aktuator (110-1, 110-2) der Menge von Aktuatoren (110-x) und Berechnen (S3) eines Ist-Gesamtdrehmomentes, das sich berechnet aus der Summe der ermittelten Ist-Drehmomente;- Ermitteln (S4) eines Soll-Drehmomentes für die Antriebsvorrichtung (100), basierend auf dem Ist-Gesamtdrehmoment und der erfassten Ist-Position; und- Koordiniertes Zuweisen (S5) des ermittelten Soll-Drehmomentes auf die Menge der die Antriebsvorrichtung (100) antreibenden Aktuatoren (110-x), basierend auf einem in einem Antriebsmodell (123) vorgegebenen Antriebsfaktor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Antriebsvorrichtung für eine Menge von Aktuatoren, die dieselbe Antriebsvorrichtung antreiben. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Aktuatorsteuereinheit zum Berechnen einer Lastzuweisung, eine Antriebsvorrichtung und ein System zum Berechnen einer Lastzuweisung, sowie ein Computerprogramm.
Antriebsvorrichtungen in Maschinen, Fahrzeugen, Robotervorrichtungen können durch eine Menge von Aktuatoren, beispielsweise unterschiedliche und zusammenwirkende Antriebe angetrieben werden. Die Antriebsvorrichtungen übertragen die von den unterschiedlichen und zusammenwirkenden Antrieben bereitgestellte Kraft auf die anzutreibenden Einheiten (z.B. Werkzeuge, Räder, Achse eines Roboters). Im Stand der Technik sind virtuelle Getriebe bekannt. Ein virtuelles Getriebe ermöglicht eine Aufteilung der Last an der Antriebsvorrichtung auf eine beliebige Menge von Aktuatoren, welche diese Antriebsvorrichtung antreiben.
Weiterhin ist bekannt, dass bei der Verwendung von elektrischen Maschinen ein virtuelles Getriebe eingesetzt werden kann, um das System auf ein variierendes Lastprofil zu optimieren. Beispielsweise ist von der Fa. Molabo ein Elektromotor ISCAD als ein virtuelles Getriebe bekannt. Bei diesem System ist im Vergleich zu feststehenden Wicklungen die Möglichkeit gegeben, die Polzahl des Elektromotors während des Betriebs zu variieren, um so das virtuelle Getriebe zu schaffen, das sich kontinuierlich an das Lastprofil anpasst und einen optimalen Wirkungsgrad erzielt.
Die Realisierung einer parallelen Verschaltung einer beliebigen Anzahl an Aktuatoren mit einem unterschiedlichen Größenverhältnis und Wirkrichtung zu einem gesamtwirkenden Aktuator bzw. einer Antriebsvorrichtung ist mit der bekannten Ausgestaltung nicht möglich. Davon ausgehend, dass die Aktuatoren eine Antriebsvorrichtung antreiben und dadurch absolut synchron arbeiten müssen, ist dies im Falle einer starren Kopplung, wie dies bei den elektrischen Systemen der Fall ist, kritisch, da die Aktuatoren in der Regel gegeneinander arbeiten und verhaken können.
EP 2 563 709 B1 betrifft ein Verfahren und ein System zum Ausgleich von Kräften oder Drehmomenten in einem Punktzugsystem oder Flybarsystem mit mehreren Aktuatoren zum Bewegen eines an Seilen hängenden Objekts, insbesondere zum Anheben oder Absenken von Gegenständen in der Bühnentechnik. Ungleiche Lastverteilungen bei großen oder asymmetrischen Kulissen oder Bühnendekorationen sollen vermieden werden.
Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren und einer Aktuatorsteuereinheit zum koordinierten Berechnen einer Lastzuweisung. Zudem soll die Lastaufteilung bzw. -zuweisung flexibler gestaltet werden, so dass unterschiedliche Aktuatoren von unterschiedlicher Baugröße und/oder Leistung verwendbar sind. Weiterhin sollen die Antriebsvorrichtung bzw. die Aktuatoren modular austauschbar sein. Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Last (Drehmoment) an einer Antriebsvorrichtung auf eine Menge an Aktuatoren durch eine berechnete Lastzuweisung auf konzertierte Weise zu verteilen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, insbesondere durch ein Verfahren zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Antriebsvorrichtung für eine Menge von Aktuatoren gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch die nebengeordneten beiliegenden Patentansprüche, insbesondere durch eine Aktuatorsteuereinheit, eine Antriebsvorrichtung, sowie durch ein System zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Menge von Aktuatoren gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Antriebsvorrichtung für eine Menge von Aktuatoren. Das Verfahren ist vorzugsweise computer-implementiert und wird verteilt ausgeführt, insbesondere auf einer lokalen Recheneinheit des Aktuators, wie z.B. einem Microcontroller, und einer hierarchisch den jeweiligen Aktuatoren übergeordneten oder zentralen Recheneinheit, der sogenannten Aktuatorsteuereinheit, die als Regler fungiert. Die Menge von Aktuatoren treiben vorzugsweise dieselbe Antriebsvorrichtung an. Die Aktuatoren stellen ein Drehmoment für die Antriebsvorrichtung bereit. Ein Antreiben der Antriebsvorrichtung kann hierbei ein Beschleunigen, Halten oder Bremsen und somit eine Änderung des Drehmomentes und/oder einen Richtungswechsel umfassen.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf. In einem ersten Schritt erfolgt ein Auslösen eines Erfassens bzw. eines Erfassungsvorganges einer Ist-Position eines Aktuators der Menge von Aktuatoren. Ein Erfassen der Ist-Position umfasst ein Ermitteln der Ist-Position an jedem Aktuator der Menge von Aktuatoren, schließt aber die Verwendung jeder ermittelten Ist-Position aus (es muss somit nicht jeder der ermittelten IST-Positionen zur Berechnung der Lastzuweisung verwendet werden). Vorzugsweise wird nur die Ist-Position eines bestimmten Aktuators der Menge von Aktuatoren erfasst, der als Master-Aktuator definiert wird, während alle anderen Aktuatoren als Slaves fungieren. Master und Slave sind parallelgeschaltet. Master und Slave haben dieselbe Aufgabe, nämlich die Kraft bzw. das Drehmoment aus einer hierarchisch übergeordneten Positionsregelung zu stellen. Grundsätzlich treiben alle Aktuatoren die gleich Stellgröße bzw. die gleiche Koordinate, sind dabei aber in einem berechneten Zuweisungsverhältnis aufgeteilt. Die erfasste Ist-Position des Master-Aktuators wird an eine alle Aktuatoren gemeinsam regelnden Regelungseinheit weitergeleitet, die hier als Aktuatorsteuereinheit bezeichnet wird und als Referenz verwendet.
In einem weiteren Schritt erfolgt ein Auslösen oder Triggern eines Ermittelns eines Ist-Drehmomentes für jeden Aktuator der Menge von Aktuatoren.
Zudem wird die Berechnung eines Ist-Gesamtdrehmomentes getriggert. Das Ist-Gesamtdrehmoment berechnet sich aus der Summe der ermittelten Ist-Drehmomente. In vorteilhafter Weise wird bei umgedrehter Einbaulage eines Aktuators ein Vorzeichenwechsel bei der Berechnung des Ist-Gesamtdrehmomentes berücksichtigt. Das Triggern der Berechnung des Ist-Gesamtdrehmomentes erfolgt zentral auf der Aktuatorsteuereinheit. Vorzugsweise wird auch die Berechnung des Ist-Gesamtdrehmomentes an sich zentral auf der Aktuatorsteuereinheit ausgeführt. Es kann aber sein, dass eine lokale Recheneinheit auf einem Aktuator bestimmt wird, die Berechnung des Ist-Gesamtdrehmomentes sozusagen stellevertretend für die Aktuatorsteuereinheit auszuführen und das Ergebnis an selbige zurück zu übermitteln.
In einem weiteren Schritt wird ein Soll-Drehmoment für die Antriebsvorrichtung, basierend auf dem Ist-Gesamtdrehmoment und der erfassten Ist-Position ermittelt. Das Ermitteln des Soll-Drehmomentes erfolgt vorzugsweise zentral.
Anschließend erfolgt in einem weiteren Schritt auf der zentralen Recheneinheit (Aktuatorsteuereinheit) ein koordiniertes Zuweisen des ermittelten Soll-Drehmomentes auf die Menge der die Antriebsvorrichtung antreibenden Aktuatoren. Das Zuweisen erfolgt basierend auf einem in einem Antriebsmodell vorgegebenen Antriebsfaktor. Das Erfassen einer Ist-Position umfasst ein Bestimmen eines Master-Aktuators aus der Menge von Aktuatoren und das Zuweisen eines Masterstatus zu dem bestimmten Master-Aktuator und das Zuweisen eines Slavestatus für die weiteren Aktuatoren.
Zumindest das Ermitteln des Soll-Drehmomentes und das koordinierte Zuweisen wird zentral auf einer Aktuatorsteuereinheit ausgeführt. Das Erfassen der Ist-Position und das Ermitteln des Ist-Drehmomentes wird lokal auf dem Aktuator ausgeführt.
Die Erfindung realisiert ein virtuelles Getriebe. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das virtuelle Getriebe für jeden Antrieb von einer Aktuatorsteuereinheit parametriert werden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff „Lastzuweisung“ das Zuweisen der Last an der Antriebsvorrichtung auf einen Aktuator der Menge an Aktuatoren, die die Antriebsvorrichtung antreiben, zu verstehen. Der einzelne Aktuator kann somit einzeln betrachtet eine Teilmenge der Gesamtlast der Antriebsvorrichtung übernehmen. Entsprechend wird hierfür das benötigte Drehmoment bereitgestellt. Die Lastzuweisung kann dynamisch während des Betriebs der Antriebsvorrichtung erfolgen. Dies umfasst beispielsweise eine dynamische Lastzuweisung bei Änderung der Gesamtlast (Gesamtdrehmoment) an der Antriebsvorrichtung. Ferner können diese, je nach Ausgestaltung der antreibenden Aktuatoren der Antriebsvorrichtung, bei Laständerungen eine dynamische Lastzuweisung erfahren.
Ferner ist im Sinne der vorliegenden Erfindung unter einer Antriebsvorrichtung eine Achse mit wenigstens einem Aktuator, vorzugsweise mit einer Menge von mindestens zwei Aktuatoren zu verstehen. Die Aktuatoren können als elektrische und/oder pneumatische Antriebe ausgebildet sein, die auf die Achse wirken und vorzugsweise in einer Parallelschaltung zueinander verschaltet sind. Deshalb kann ein Zuweisen bzw. eine Aufteilung der Drehmomente erfolgen.
Zudem ist im Sinne der vorliegenden Erfindung unter einem koordinierten Zuweisen des ermittelten Soll-Drehmomentes das Zuweisen an die dafür antreibenden Aktuatoren vorgesehen. Mittels des Verfahrens wird abgestimmt, welcher Aktuator der Menge an antreibenden Aktuatoren das Drehmoment bereitstellen kann und entsprechend auf Anforderung an die Antriebsvorrichtung bereitstellt.
Ferner ist unter einem Antriebsmodell ein Datenmodell zu verstehen, in dem die Schnittstellen zu den Aktuatoren festgehalten sind und über diese die entsprechenden Parameter für die Einstellung eines Solldrehmomentes für die jeweiligen Aktuatoren entnommen werden können. Das Datenmodell kann in einer Datenbank gespeichert sein. Der Antriebsfaktor umfasst den entsprechenden Wert, um das Soll-Drehmoment für den entsprechenden Aktuator einzustellen. Das Datenmodell kann vorzugsweise lokal auf dem Mikrocontroller (lokale Recheneinheit) implementiert sein und enthält alle Daten/Parameter, welche über ein Netzwerk, wie einen Feldbus verfügbar sind. Für die Applikation auf dem Mikrocontroller ist eine Software-Schnittstelle vorgesehen, welche es ermöglicht, auf die Daten/Parameter zuzugreifen.
In vorteilhafter Weise kann durch die vorliegende Erfindung das an der Antriebsvorrichtung notwendige Drehmoment (durch die anzutreibende Last) in einem richtigen Verhältnis und mit dem richtigen Vorzeichen auf jeden einzelnen Aktuator der Menge an antreibenden Aktuatoren verteilt werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass das notwendige Drehmoment im frei vorgegebenen Verhältnis und mit beliebiger Richtung auf die einzelnen der Antriebsvorrichtung zugewiesenen Aktuatoren aufgeteilt werden kann. Das Verhältnis ist frei vorgebbar, womit Aktuatoren unterschiedlicher Baugröße und unterschiedlicher Leistung in einer Antriebsvorrichtung eingesetzt werden können. Ein leistungsstarker Aktuator der Menge an Aktuatoren kann somit einen größeren Anteil des benötigten Drehmomentes übernehmen. Zudem kann durch die beliebig vorgebbare Rotationsrichtung eine beliebige Anordnung der Aktuatoren erfolgen. Zwei Aktuatoren können somit in vorteilhafter Weise spiegelverkehrt angebracht werden.
Zudem wird durch die vorliegende Erfindung das tatsächliche Drehmoment als Summe der Drehmomente der einzelnen Aktuatoren an das Antriebsmodell weitergegeben. Eine Antriebsvorrichtung kann somit modulartig ausgetauscht werden. Es kann sowohl eine beliebige Menge an Aktuatoren eingesetzt werden, welche gemäß der vorliegenden Erfindung parametrierbar sind, oder einen einzelnen Aktuator ohne die erfindungsgemäße Lastzuweisung, da der Zugriff und die Verarbeitung über das Antriebsmodell gleichbleibend sind.
Gemäß einer pneumatische-basierten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ermitteln des Ist-Drehmomentes unter Einbeziehung von Druckdifferenzen in den Kammern erfolgt und/oder zumindest indirekt auf Basis der erfassten Ist-Position. Der Drehmomentenregler -- bzw. im pneumatischen Fall: der Druckregler - benötigt zur Bestimmung des Kammervolumens die Ist-Position des Aktuators. Das Drehmoment ergibt sich aus der Einbeziehung der Druckdifferenz in den Kammern des Aktuators. Die Totzeit kann minimiert werden, indem die „lokale“ Positionserfassung verwendet wird, und nicht diejenige, die über den Master an die Slaves gespiegelt wird. Zum Beispiel verwendet der Slave Antrieb seine eigene Positionserfassung für die Drehmomentenregelung und nicht die Ist-Position der Antriebsvorrichtung (Ist-Position des Masterantriebs).
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Erfassen einer Ist-Position, ein Bestimmen eines Master-Aktuators aus der Menge von Aktuatoren und das Zuweisen eines Masterstatus zu dem bestimmten Master-Aktuator und das Zuweisen eines Slavestatus für die weiteren Aktuatoren umfasst. Mit anderen Worten, wird auf einem Aktuator aus der Menge von Aktuatoren die Ist-Position erfasst und genau dieser Aktuator fungiert als Master, während die anderen Aktuatoren als Slave fungieren.
Es ist vorgesehen, dass die Aktuatoren, die einer Antriebsvorrichtung zugewiesen sind, einen Master umfassen und die anderen Aktuatoren der Antriebsvorrichtung als Slave geschaltet sind. Da aufgrund von Fertigungstoleranzen und Kalibrierungsabweichungen die gemessene Position der einzelnen Aktuatoren nicht exakt festgelegt werden kann, wird jeder Aktuator mit einem eigenen Drehgeber versehen und die aktuelle Position des Master-Aktuators als die Ist-Position der Antriebsvorrichtung festgelegt. Über den Master-Aktuator kann eine fixe Ist-Position vorgegeben werden. Weist der Master-Aktuator eine Ist-Position auf, dann haben die Slave-Aktuatoren in einem fixen Verhältnis eine entsprechende Ist-Position. Somit hängt die Ist-Position in einem bestimmten Verhältnis von der Ist-Position des Master-Aktuators ab. Über die Ist-Position der Slave-Aktuatoren kann über das vorgegebene Verhältnis auch eine Verifikation der Ist-Position des Master-Aktuators erfolgen.
Die Ist-Position des Masteraktuators kann als Referenz für die Bahnplanung verwendet werden. Der Master-Aktuator und der Slave-Aktuator weisen jeweils eine Positionsregelung und eine Momentenregelung auf. In dem Fall, das von einem Aktuator die Positionserfassung besser sein sollte, mit Bezug auf Genauigkeit, weniger Rauschen, bessere Kalibrierung, dann kann der Masterstatus an diesen Aktuator übertragen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aktuatoren der Antriebsvorrichtung als elektrische Aktuatoren ausgebildet sind. Für die elektrischen Antriebe wird oft ein Getriebe verwendet und sie können in seltenen Fällen als Direktantriebe ausgebildet sein. Elektrische Antriebe sind genauer und schneller (die Störungen können schneller kompensiert werden). In der Kombination (hybrid: elektrisch-und-pneumatisch) können zum Beispiel pneumatische Antriebe die stationären Momente (z.B. Gravitationskompensation) und elektrische Antriebe die höherfrequente Störkompensation übernehmen. Damit kann der Energieverbrauch minimiert werden.
Vorzugsweise arbeitet jeder Antrieb mit einem eigenständigen Druckregelkreis und einem gemeinsamen Positionsregelkreis.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aktuatoren der Antriebsvorrichtung als pneumatische Aktuatoren ausgebildet sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die pneumatischen Aktoren als Schwenkflügelantriebe ausgebildet sind. In vorteilhafter Weise sind die pneumatischen Aktuatoren der Antriebsvorrichtung aufgrund der Kompressibilität von Luft nicht starr miteinander verbunden, wodurch mehrere pneumatische Aktuatoren verwendet werden können, um dezentral eine Antriebsvorrichtung anzusteuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aktuatoren ein voneinander abweichendes Größenverhältnis aufweisen. In vorteilhafter Weise können durch die vorliegende Erfindung Aktuatoren unterschiedlicher Größe und Leistung an die Antriebsvorrichtung gekoppelt werden. Somit können die Aktuatoren entsprechend einem vorgegebenen Verhältnis eine berechnete Last zu gewiesen werden. Somit kann ein leistungsstärkerer Antrieb einen größeren Anteil des benötigten Drehmomentes übernehmen und entsprechend leistungsschwächere Antriebe entlasten bzw. deren Belastung reduzieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aktuatoren eine unterschiedliche Wirkrichtung aufweisen. In vorteilhafter Weise wird durch die vorliegende Erfindung die Wirkrichtung der Aktuatoren berücksichtigt und das benötigte Drehmoment im richtigen Verhältnis mit dem richtigen Vorzeichen auf die einzelnen antreibenden Aktuatoren verteilt.
Wie oben bereits erwähnt, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Menge der Aktuatoren in der Antriebsvorrichtung zueinander parallel verschaltet oder angeordnet sein können. Hierdurch kann eine Aufteilung der Drehmomente erfolgen. Das Drehmoment beider Antriebe wird zusammenaddiert. Ist die Leistung eines Antriebes für eine bestimmte Aufgabe zu klein, so kann man einen größeren Antrieb oder wie in unserer Anwendung der Fall, zwei kleinere Antriebe in Parallelschaltung verwenden, um die Leistung der Antriebsvorrichtung zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ist-Drehmoment aus den Kammerdrücken der pneumatischen Aktuatoren ermittelt wird. Die Bestimmung des Ist-Drehmomentes kann mittels internen Signalgrößen (Strom) oder externen Messeinheiten (Dehnungsmessstreifen, 1 DoF Sensor) erfolgen. Dabei ist die Druckdifferenz in den Kammern direkt proportional zum Antriebsmoment: Antriebsmoment = Faktor*(Druck_1 - Druck_2). Man kann also sofort aus der Druckmessung auf das Antriebsmoment schließen. Bei den elektrischen Antrieben kann, wie oben erwähnt, der Strom gemessen werden, um auf das Antriebsmoment zu schließen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ist-Position über zumindest einen Positionssensor erfasst wird. Für die Positionssensoren können induktive Inkrementalgeber (Absolutposition 19 bit) verwendet werden. Alternativ können optische/magnetische Inkrementalgeber verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Master-Aktuator einen Störgrößendetektor zum Erfassen einer Störgröße umfasst. In vorteilhafter Weise wird eine Störgröße, beispielsweise ein Stördrehmoment mit Hilfe eines Störgrößendetektors erfasst. Der Störgrößendetektor kann beispielsweise in Software implementiert werden. Der in Software implementierte Störgrößendetektor kann auf einer Rechnereinheit ausgeführt und die Implementierung, sowie die Detektionsergebnisse in einem Speicher gespeichert werden. Der Störgrößendetektor schätzt das an der Antriebsvorrichtung, beispielsweise der Welle, wirkende Drehmoment, welches nicht von dem zugrundeliegenden Nominalmodell bestimmbar ist. Ein Störgrößendetektor kann somit als ein Simulationsmodell der Strecke ausgebildet sein, welches in Echtzeit abgearbeitet wird und anhand der Abweichung zwischen den gemessenen und den simulierten Signalen (bspw. Positionssignal) die Schätzung eines von außen auf die Antriebsvorrichtung wirkende Drehmoment durchführt.
Ein Störgrößendetektor stellt ein dynamisches Modell dar und schätzt die Summe aller Störmomente, welche auf die Antriebsvorrichtung wirken (bspw. nicht modellierte Reibung, Kollisionen, nicht modellierte Lastmasse, usw.). Die Störgröße (Stördrehmoment) wird nur vom Master-Aktuator geschätzt. Durch die Schätzung der Störgröße über den Störgrößendetektor kann die Positionsregelung genauer umgesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ermittelte Störgröße entgegengesetzt oder gleichgerichtet zum Ist-Drehmoment aufgeschaltet wird. Die Aufschaltung der ermittelten Störgröße ist abhängig von der Definition des Vorzeichens des Störmomentes. Wirkt das Störmoment z.B. in die gleiche Richtung wie das Ist-Moment, muss für eine Kompensation der Störung, das geschätzte Störmoment mit einem negativen Vorzeichen aufgeschaltet werden. Wirkt das Störmoment z.B. in die entgegengesetzte Richtung wie das Ist-Moment, muss für eine Kompensation der Störung, das geschätzte Störmoment mit einem positiven Vorzeichen aufgeschaltet werden Somit können Störungen ausgeglichen bzw. kompensiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aktuatoren einen Positionsregler und einen Drehmomentenregler aufweisen. Jeder Aktuator arbeitet mit dem lokalen Positionssignal. Die Positionsregler und Drehmomentenregler sind in jedem Aktuator in einer Kaskade geschaltet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die jeweils lokal auf einem Antrieb gemessene Position des Antriebs in einer - vorzugsweise lokalen - Recheneinheit in eine virtuelle Achsposition umgerechnet. Die so umgerechnete virtuelle Achsposition des Master Aktuators bzw. Antriebs wird als Referenz für die Zuweisungsaufgabe (Bahnplanung) der Aktuatorsteuereinheit verwendet.
Master und Slave Aktuatoren kommunizieren sowohl untereinander als auch mit der (zentralen) Aktuatorsteuereinheit.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Aktuatorsteuereinheit zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Menge von Aktuatoren, die dieselbe Antriebsvorrichtung antreiben. Die Aktuatorsteuereinheit ist zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Die Aktuatorsteuereinheit beinhaltet eine Schnittstelle zu einer Menge von lokalen Positionssensoren. Über die Schnittstelle werden die lokal am Aktuator erfasste(n) Ist-Position(en) eingelesen. Über die Schnittstelle kann auch ein Triggersignal zum Auslösen der Positionserfassung an den Aktuator versendet werden. Weiterhin beinhaltet die Aktuatorsteuereinheit eine Schnittstelle (die von der vorher genannten Schnittstelle abweichen oder mit ihr übereinstimmen kann; vorzugsweise wird hier derselbe Bus verwendet) zu einer Menge von lokalen Drehmomentsensoren zum Ermitteln eines Ist-Drehmomentes für jeden Aktuator der Menge von Aktuatoren. Zudem umfasst die Aktuatorsteuereinheit einen Prozessor, der dazu bestimmt ist, ein Ist-Gesamtdrehmoment zu berechnen. Das Ist-Gesamtdrehmoment berechnet sich aus der Summe der ermittelten Ist-Drehmomente. Der Prozessor ist ferner dazu bestimmt, ein Soll-Drehmoment für die Antriebsvorrichtung, basierend auf dem ermittelten Ist-Gesamtdrehmoment und der erfassten Ist-Position zu ermitteln. Zudem ist der Prozessor weiterhin dazu bestimmt, das ermittelte Soll-Drehmoment an die Menge der die Antriebsvorrichtung antreibenden Aktuatoren auf koordinierte Weise zuzuweisen, basierend auf einem in einem Antriebsmodell vorgegebenen Antriebsfaktor.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Aktuator. Ferner umfasst die Antriebsvorrichtung wenigstens eine Aktuatorsteuereinheit mit einem Speicher, wobei die Aktuatorsteuereinheit dazu bestimmt ist, das Verfahren gemäß der Erfindung oder in den oben geschilderten alternativen Ausführungsformen auszuführen. Durch die Rückführung von Signalen ist die Aktuatorsteuereinheit vorzugsweise als Regler ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Menge von Aktuatoren. Die Aktuatoren treiben vorzugsweise dieselbe Antriebsvorrichtung an. Das System umfasst eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist dazu bestimmt, Steuersignale basierend auf einem gespeicherten Antriebsmodell zum Antrieb der antreibenden Aktuatoren der Antriebsvorrichtung bereitzustellen. Zudem umfasst das System wenigstens eine Aktuatorsteuereinheit mit einem Speicher. Die Aktuatorsteuereinheit ist dazu bestimmt ist, das Verfahren gemäß der Erfindung oder in den oben geschilderten alternativen Ausführungsformen auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm. Die vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung können auch als ein Computerprogramm ausgebildet sein, wobei ein Computer bzw. eine Steuereinheit zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens veranlasst wird, wenn das Computerprogramm auf einem Computer bzw. auf einem Prozessor des Computers ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann als Signal per Download bereitgestellt oder in einer Speichereinheit des Computers oder der Aktuatorsteuereinheit mit darin enthaltenem computer-lesbarem Programmcode gespeichert werden, um eine Aktuatorsteuereinheit, einen Computer o.ä. zur Ausführung von Anweisungen gemäß dem oben genannten Verfahren zu veranlassen.
Dabei kann das Computerprogramm auch auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert sein. Eine alternative Aufgabenlösung sieht ein Speichermedium vor, das zur Speicherung des vorstehend beschriebenen, computerimplementierten Verfahrens bestimmt ist und von einem Computer oder einem Prozessor lesbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung vorzugsweise in einem System mit einer angetriebenen Achse verwendet werden. Insbesondere kann die Antriebsvorrichtung in einem Industrieroboter, einer Turbine oder einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserung oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen. Insbesondere können Merkmale der Verfahrensansprüche durch entsprechende Komponenten der Aktuatorsteuereinheit, der Antriebsvorrichtung und/oder dem System umgesetzt und/oder ausgeführt werden, wonach diese deren Funktionalität ergänzen bzw. erweitern. Somit wird der Fachmann auch Aspekte der Verfahrensansprüche für die Aktuatorsteuereinheit, die Antriebsvorrichtung und/oder das System heranziehen.
Figurenliste
In der folgenden detaillierten Figurenbeschreibung werden nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele mit deren Merkmalen und weiteren Vorteilen anhand der Zeichnung besprochen. In dieser zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Aktuatorsteuereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
4 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Implementierungsbeispiels zum Berechnen einer Lastzuweisung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Implementierungsbeispiels zum Berechnen einer Lastzuweisung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
7 eine schematische Darstellung eines Implementierungsbeispiels zum Berechnen einer Lastzuweisung gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche, und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen zu versehen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 1 bezeichnet Bezugszeichen 100 die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung. Die mit der 1 dargestellte Ausführungsform der Antriebsvorrichtung 100 weist einen ersten Aktuator 110-1 und einen zweiten Aktuator 110-2 auf. Die Menge der Aktuatoren der Antriebsvorrichtung 100 ist nicht auf die mit der 1 dargestellten Anzahl an Aktuatoren 110-1, 110-2 begrenzt. Vielmehr kann eine Menge, insbesondere weitere Aktuatoren 110-x vorgesehen sein. In der 1 treiben die Aktuatoren 110-1, 110-2 eine gemeinsame Achse der Antriebsvorrichtung 100 an. Die Aktuatoren 110-1, 110-2 sind als zwei gleiche aber entgegengesetzt montierte Aktuatoren dargestellt. Die Aktuatoren können als elektrische oder als pneumatische Aktuatoren ausgebildet sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, eine hybride Schaltung von Aktuatoren, beispielsweise einen elektrischen Aktuator und einen pneumatischen Aktuator in einer Antriebsvorrichtung 100 zu betreiben. In der hybriden Schaltung kann ein entsprechendes physikalisches Getriebe für den elektrischen Aktuator vorgesehen sein. Die Aktuatoren 110-1, 110-2 können ein unterschiedliches Größenverhältnis und eine unterschiedliche Wirkrichtung haben.
Erfindungsgemäß können diese Aktuatoren 110-1, 110-2 zu einem Gesamtaktuator für einen Freiheitsgrad vereint werden.
Von jedem der Aktuatoren 110-1, 110-2 der Menge an Aktuatoren wird die Ist-Position gemessen. Entsprechend einer Unterteilung der Menge von Aktuatoren 110-x in einen Master-Aktuator und der verbleibenden Aktuatoren 110-x als Slave-Aktuatoren wird nur die Ist-Position des Master-Aktuators erfasst. Über den Master-Aktuator kann eine fixe Ist-Position vorgeben werden. Weist der Master-Aktuator eine Ist-Position auf, dann haben die Slave-Aktuatoren in einem fixen Verhältnis eine entsprechende Ist-Position. Somit hängt die Ist-Position in einem bestimmten Verhältnis von der Ist-Position des Master-Aktuators ab. Das Erfassen der Ist-Position kann unter Verwendung eines Positionssensor erfolgen. Der Positionssensor kann beispielsweise als ein induktiver, optischer und/oder magnetischer Inkrementalgeber ausgebildet sein. Jeder Aktuator 110 verfügt über eine lokale Recheneinheit, die jeweils über ein Bussystem mit einer übergeordneten Regelung, nämlich einer Aktuatorsteuereinheit 120 in Datenaustausch stehen.
Die ermittelten Ist-Werte der Aktuatoren 110-1, 110-2 werden in Schritt S1 an die Aktuatorsteuereinheit 120 bereitgestellt. Die Aktuatorsteuereinheit 120 weist entsprechende Schnittstellen zur Kommunikation mit der Antriebsvorrichtung 100 und/oder den Aktuatoren 110-1, 110-2 der Menge an Aktuatoren 110-x auf. Beispielsweise kann die Schnittstelle für eine RS232,- RS485- und/oder CAN-Kommunikation eingerichtet sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Kommunikation über ein LAN- und/oder ein WLAN-Netzwerk erfolgt.
Die Aktuatorsteuereinheit 120 umfasst weiterhin einen Prozessor 121 und einen Speicher 122 (beide nicht dargestellt). Über den Prozessor kann ein Ist-Drehmoment für jeden Aktuator 110-1, 110-2 der Menge an Aktuatoren 110-x ermittelt werden. Weiterhin ist der Prozessor 121 eingerichtet ein Ist-Gesamtdrehmoment zu berechnen. Das Ist-Gesamtdrehmoment berechnet sich aus der Summe der ermittelten Ist-Drehmomente.
Weiterhin ist der Prozessor 121 eingerichtet ein Soll-Drehmoment für die Antriebsvorrichtung 100 basierend auf dem berechneten Ist-Gesamtdrehmoment und der erfassten Ist-Position zu ermitteln. Durch den Prozessor 121 erfolgt ein koordiniertes zuweisen 2 des ermittelten Soll-Drehmomentes auf die Menge der die Antriebsvorrichtung 100 antreibenden Aktuatoren 110-x. Die Zuweisung des Soll-Drehmomentes basiert auf einem in einem Antriebsmodell 123 vorgegebenen Antriebsfaktor. Das Antriebsmodell 123 kann in einem Speicher 122 gespeichert sein. Der Speicher 122 kann als ein flüchtiger und nichtflüchtiger Speicher ausgebildet sein.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren V zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Antriebsvorrichtung 100 mit einer Menge von Aktuatoren 110-x, die dieselbe Antriebsvorrichtung 100 antreiben. Das Verfahren umfasst bei der dargestellten Ausführungsform mehrere Schritte. In einem ersten Schritt S1, der lokal auf einem Aktuator ausgeführt wird, wird eine Ist-Position eines Aktuators 110-1 der Menge von Aktuatoren 110-x erfasst. Insbesondere wird die Ist-Position bei einem bestimmten Aktuator 110 erfasst, der als Master-Aktuator bezeichnet wird. Zum Erfassen der Ist-Position werden die Ist-Positionen der Menge von Aktuatoren 110-x ermittelt. Der Master-Aktuator kann durch einen Betreiber der Antriebsvorrichtung 100 und/oder durch die Aktuatorsteuereinheit 120 vorgegeben werden.
In einem zweiten Schritt S2 wird ein Ist-Drehmoment für jeden Aktuator 110-1, 110-2 der Menge von Aktuatoren 110-x ermittelt. Das Ermitteln des Ist-Drehmomentes erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unabhängig von der Position, auch wenn der Drehmomenten- bzw. Druckregler die Ist-Position benötigt. Die Ermittlung erfolgt unter Einbeziehung der Druckdifferenz in den Kammern. Schritt S2 wird ebenfalls lokal auf dem Aktuator ausgeführt.
In einem weiteren Schritt S3 wird ein Ist-Gesamtdrehmoment berechnet. Das Ist-Gesamtdrehmoment wird aus der Summe der ermittelten Ist-Drehmomente berechnet. Dier Schritt S4 kann auf der übergeordneten Regelung bzw. zentral auf der Aktuatorsteuereinheit 120 ausgeführt werden. Alternativ kann dies auch lokal auf dem Aktuator ausgeführt werden.
In einem weiteren Schritt S4 wird ein Soll-Drehmoment für die Antriebsvorrichtung 100 ermittelt. Das Ermitteln des Soll-Drehmomentes erfolgt basierend auf dem Ist-Gesamtdrehmoment und der erfassten Ist-Position. Schritt S4 wird vorzugsweise zentral bzw. auf der Aktuatorsteuereinheit 120 ausgeführt.
In einem weiteren Schritt S5 erfolgt ein koordiniertes Zuweisen des ermittelten SollDrehmomentes auf die Menge der die Antriebsvorrichtung 100 antreibenden Aktuatoren 110-x, basierend auf einem in einem Antriebsmodell 123 vorgegebenen Antriebsfaktor. Schritt S5 wird vorzugsweise zentral bzw. auf der Aktuatorsteuereinheit 120 ausgeführt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Aktuatorsteuereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Bezugszeichen 120 bezeichnet die genannte Aktuatorsteuereinheit. Die Aktuatorsteuereinheit 120 ist eingerichtet eine Lastzuweisung für eine Menge von Aktuatoren 110-x, die dieselbe Antriebsvorrichtung 100 antreiben zu berechnen. Die Aktuatorsteuereinheit 120 ist eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Aktuatorsteuereinheit 120 ist verteilt ausgebildet und teilweise lokal in dem Microcontroller eines Antriebs ausgebildet und teilweise zentral in einem Prozessor 121.
Die Aktuatorsteuereinheit 120 weist eine Menge von Positionssensoren 124 zum Erfassen einer Ist-Position eines Aktuators 110-1, 110-2 aus einer Menge von Aktuatoren 110-x auf. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass jedem Aktuator 110-1, 110-2 ein Positionssensor 124 zum Ermitteln der Ist-Position zugewiesen ist bzw. die Aktuatoren 110-1, 110-2 einen Positionssensor 124 umfassen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Aktuatorsteuereinheit 120 eine Menge von Drehmomentsensoren 125 zum Ermitteln eines Ist-Drehmomentes für jeden Aktuator 110-1, 110-2 der Menge von Aktuatoren 110-x aufweist. Dies ist allerdings nur optional. Drehmomentsensoren werden nicht zwingend benötigt. Vorzugsweise wird die Messung der Drücke in den Kammern verwendet, um auf das Antriebsmoment zu schließen bzw. selbiges zu berechnen.
Weiterhin weist die Aktuatorsteuereinheit 120 einen Prozessor 121 auf. Der Prozessor 121 ist ausgebildet ein Ist-Gesamtdrehmoment zu berechnen. Das Ist-Gesamtdrehmoment berechnet sich aus der Summe der ermittelten Ist-Drehmomente. Ferner ist der Prozessor 121 dazu bestimmt, ein Soll-Drehmoment für die Antriebsvorrichtung 100, basierend auf dem ermittelten Ist-Gesamtdrehmoment und der erfassten Ist-Position zu ermitteln. Ferner kann über den Prozessor 121 der Aktuatorsteuereinheit 121 ein zuweisen des Soll-Drehmoment an die Menge der die Antriebsvorrichtung 100 antreibenden Aktuatoren 110-x auf koordinierte Weise erfolgen. Das Zuweisen des Soll-Drehmomentes basiert auf einem in einem Antriebsmodell 123 vorgegebenen Antriebsfaktor.
Die Aktuatorsteuereinheit 120 kann als ein Computer, Mikrocontroller, als eine Speicherprogrammierbare Steuerung und oder als eine auf einem Prozessor oder FPGA ausgeführte Softwareinstanz ausgebildet sein. Die Aktuatorsteuereinheit 120 weist ferner Schnittstellen 126, insbesondere Kommunikations- und/oder Datenkommunikationsschnittstellen zur Kommunikation mit der Antriebsvorrichtung 100, der Menge an Aktuatoren 110-x und/oder dem System 200 auf.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Bezugszeichen 200 bezeichnet das erfindungsgemäße System. Das System 200 ist eingerichtet eine Lastzuweisung für eine Menge von Aktuatoren 110-x zu berechnen. Die Aktuatoren treiben dieselbe Antriebsvorrichtung 100 an. Das System 200 umfasst eine Steuereinheit 210. Die Steuereinheit 210 ist dazu bestimmt, Steuersignale basierend auf einem gespeicherten Antriebsmodell 123 zum Antrieb der antreibenden Aktuatoren 110-1, 110-2 der Antriebsvorrichtung 100 bereitzustellen. Die Steuereinheit 210 kann als ein Computer und/oder eine Speicherprogrammierbare Steuerung ausgebildet sein. Die Steuereinheit 210 weist Schnittstellen zur Kommunikation und/oder Datenkommunikation mit einer Aktuatorsteuereinheit 120 auf. Die Steuereinheit 210 und die Aktuatorsteuereinheit 120 können zentral und unabhängig voneinander dezentral angeordnet sein. Die Aktuatorsteuereinheit 120 des Systems 200 weist einen Speicher 122 auf. Die Aktuatorsteuereinheit 120 ist dazu bestimmt, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Implementierungsbeispiels zum Berechnen einer Lastzuweisung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In der 5 ist eine hybride Antriebsvorrichtung 100 dargestellt. Die Antriebsvorrichtung umfasst wenigstens zwei Aktuatoren 110-1, 110-2. Die Aktuatoren 110-1, 110-2 sind zwei unterschiedliche Aktuatoren, die die Achse 140 der Antriebsvorrichtung 100 antreiben. Die Aktuatoren 110-1, 110-2 sind in entgegengesetzter Bewegungsrichtung montiert. Aktuator 110-1 kann als ein pneumatischer Aktuator, insbesondere als ein pneumatischer Direktantrieb ausgebildet sein. Aktuator 110-2 kann als ein elektrischer Aktuator, insbesondere als ein elektrischer Getriebeantrieb mit einem Getriebe 130 ausgebildet sein. Das Antriebsmoment an der Achse der Antriebsvorrichtung 100 setzt sich zusammen aus einem pneumatischen Antriebsmoment des Aktuators 110-1 und einem elektrischen Antriebsmoment des Aktuators 110-2. Das Antriebsmoment der Achse 140 ergibt sich aus dem Moment des pneumatischen Aktuators multipliziert mit der Wirkrichtungsänderung und dem Antriebsmoment des Getriebes: $M_140 = M_110 - 1 * (- 1) + M_130.$
Der pneumatische Direktantrieb ist in gegengesetzter Bewegungsrichtung montiert.
Das Getriebe 130 kann beispielsweise eine Übersetzung von i größer 1 aufweisen. Das Drehmoment nach dem Getriebe 130 ergibt sich zu: M_130 = M_110-2 * i.
Der pneumatische Aktuator (Direktantrieb) dreht sich mit omega_110-1 = - omega_140.
Für den elektrischen Antrieb ergibt sich: omega_110-2 = i * omega_130.
Der elektrische Aktuator 110-2 fungiert in diesem Ausführungsbeispiel als der Master-Aktuator und der pneumatische Aktuator 110-1 als der Slave-Aktuator.
In vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, die Last zwischen den beiden Aktuatoren beliebig aufgeteilt werden. Dabei werden die unterschiedliche Rotationsrichtung und Rotationsgeschwindigkeit berücksichtigt. Hierzu wird die Ist-Position des Masterantriebes als gemessen Position berücksichtigt und in der Berechnung des Soll-Drehmomentes verwendet.
Von dem pneumatischen Aktuator 110-1 und dem elektrischen Aktuator 110-2 werden die Ist-Drehmomente in einer Messung M ermittelt. Aus den Ist-Drehmomenten des Aktuatoren 110-1, 110-2 wird durch Summenbildung 3 ein Ist-Gesamtdrehmoment 7 berechnet. Hierbei wird unter Punkt 5 berücksichtigt, dass die Ist-Position invertiert werden muss, wenn der Aktuator in Gegenrichtung zu einem andren Aktuator wirkt. Weiterhin wird unter Punkt 5 die Ist-Position des Master-Aktuators (elektrischer Aktuator 110-2) für eine Kreuzkommunikation eingesetzt. Zudem wird unter Punkt 5 berücksichtigt, dass das Ist-Drehmoment invertiert werden muss, wenn der Aktuator in Gegenrichtung zu einem anderen Aktuator wirkt. Die Ist-Position des Master-Aktuators wird bereitgestellt 4. Auf Basis des berechneten Ist-Gesamtdrehmomentes 7 und der erfassten Ist-Position 4 wird ein Soll-Drehmoment 2 für die Antriebsvorrichtung 100 bereitgestellt. Das ermittelte Soll-Drehmoment 2 kann koordiniert auf die zwei die Antriebsvorrichtung 100 antreibenden Aktuatoren 110-1, 110-2 koordiniert zugewiesen werden. Die Zuweisung basiert auf einem in einem Antriebsmodell 123 vorgegebenen Antriebsfaktor. Unter Punkt 6 erfolgt basierend auf dem entsprechenden Faktor beispielweise eine Invertierung des Soll-Drehmomentes 2 für den elektrischen Aktuator 110-2 bzw. den pneumatischen Aktuator 110-1. Weiterhin kann das Soll-Drehmoment mit einem notwendigen Faktor multipliziert werden, bevor es an die entsprechenden Aktuatoren 110-1, 110-2 übertragen wird.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Implementierungsbeispiels zum Berechnen einer Lastzuweisung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 6 bezeichnet 200 ein System zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Menge von Aktuatoren 110-x, wobei die Aktuatoren dieselbe Antriebsvorrichtung 100 antreiben. Das System 200 der 6 kann eine Vielzahl an Antriebsvorrichtungen 100 beinhalten. Die Datenbereitstellung und die Datenverarbeitung für die Vielzahl an Antriebsvorrichtungen 100 wird anhand einer Antriebsvorrichtung 100 exemplarisch dargestellt beschrieben. Das System umfasst ferner eine Steuereinheit 210. Über eine Steuereinheit 210, beispielsweise über einen EtherCAT Master werden Informationen über die auszuführenden Bewegungsaufgaben B der Antriebsvorrichtung 100 bereitgestellt. Über die Aktuatorsteuereinheit 120 werden generierte Sollwerte für die Bewegung M bereitgestellt. Weiterhin wird über die Aktuatorsteuereinheit 120 ein Datenaustausch und die Synchronisierung des Antriebsmodells bereitgestellt. Über das Antriebsmodell 123 werden die generierten Sollwerte 10, die Ist-Position 4 und das Ist-Drehmoment 3 an die Antriebsvorrichtung 110 übertragen.
Die in der 6 dargestellte Ausführungsform der Antriebsvorrichtung umfasst einen ersten Aktuator 110-1, welcher als Master-Aktuator 110-1 ausgewählt ist und zwei weitere Aktuatoren 110-2, 110-3, die als Slave-Aktuatoren ausgewählt sind. Weitere Aktuatoren können in der Antriebsvorrichtung 100 eingesetzt werden. Diesen wird der Status eines Slave-Aktuators zugewiesen. An dem Master-Aktuator 110-1 und den Slave-Aktuatoren 110-2, 110-3 wird die Position 1 ermittelt. Von dem Master-Aktuator wird die Ist-Position 4 erfasst. Die Position 1 des Master-Aktuators 110-1 wird auf die Ist-Position 4 des Master-Aktuators 110-1 zurückgeführt und ständig aktualisiert. In der Regelung des Master-Aktuators ist ein Drehmoment-Regler TC vorgesehen. Der Drehmoment-Regler TC berücksichtigt die gemessene (nicht invertierte) Position 1 des Master-Aktuators 110-1. Weiterhin empfängt der Drehmoment-Regler TC das ermittelte Ist-Drehmomentes des Master-Aktuators 110-1. Das Ist-Drehmoment ergibt sich aus der Messung der Kammerdrücke und deren Verhältnis zueinander. Aus dem Verhältnis der Kammerdrücke kann das Ist-Drehmoment P2T des Master-Aktuators bestimmt werden. In Punkt 5 kann die Ist-Position invertiert werden, falls der Aktuator eine andere Wirkrichtung aufweist. Dies gilt ebenso für das Drehmoment und die Position der Slave-Aktuatoren 110-2, 110-3. Aus dem Ist-Drehmoment des Master-Aktuators und dem Ist-Drehmoment des Slave-Aktuators wird das Ist-Gesamtdrehmoment 7 berechnet. Das Ist-Gesamtdrehmoment 7 und die Ist-Position 4 des Master-Aktuators 110-1 werden an das Antriebsmodel 123 zum Ermitteln eines Soll-Drehmomentes für die Antriebsvorrichtung 100 übertragen. Die entsprechenden Werte werden in dem Antriebsmodell 123 aktualisiert. Basierend auf dem Antriebsmodell 123 und einem vorgegebenen Antriebsfaktor kann ein koordiniertes Zuweisen eines ermittelten Soll-Drehmomentes für die Aktuatoren 110-x der Antriebsvorrichtung 110 erfolgen.
Grundsätzlich können einer Achse mehrere Antriebe zugewiesen werden. Jeder Antrieb ist ein eigenständiges System. Die mechanische Kopplung der Antriebe durch reale Getriebe wird auf jedem Antrieb durch das virtuelle Getriebe beschrieben. Das virtuelle Getriebe kann für jeden Antrieb von der Steuerung parametriert werden. In jedem Antrieb wird die achsbezogene Positionsregelung, die antriebsbezogene Momentenregelung und die Signalumrechnung des virtuellen Getriebes berechnet. Dazu verwendet jeder Antrieb als Schnittstelle zur Steuerung ein Datenmodel und die lokal gemessenen Sensordaten (Position & Kammerndrücke). Unter den Antrieben, die einem Freiheitsgrad (Achse) zugewiesen sind, wird ein sogenannten „Master“ definiert. Alle anderen Antriebe sind „Slaves“. Die virtuelle Achsposition, die auf dem Master-Antrieb berechnet wird, wird als Ist-Position (act_pos) der Achse festgelegt. Dieses Positionssignal wird zurückgeführt und für die Bahnplanung der Achse verwendet. Der Master-Antrieb ist außerdem der einzige Antrieb mit einem aktiven Störgrößenbeobachter bzw. Störgrößendetektor und ist für die stationäre Genauigkeit zuständig. Somit muss der Master Antrieb Störgrößen aller Antriebe (Master & Slave) kompensieren.
Der Positionsregler (TTC: Trajectory Tracking Control) liefert ein zu stellendes Drehmoment (sp_torque) für die Achse. Das virtuelle Getriebe sorgt dafür, dass dieses Drehmoment - im frei vorgebbaren Verhältnis und beliebiger Richtung - auf die einzelnen Antriebe aufgeteilt wird. Das Verhältnis soll frei vorgebbar sein, da es die Möglichkeit besteht, Antriebe unterschiedlicher Baugröße und Leistung zu verwenden. Somit könnte der leistungsstärkere Antrieb einen größeren Anteil des benötigten Drehmoments übernehmen. Eine beliebig vorgebbare Rotationsrichtung ermöglicht eine beliebige Anordnung der Antriebe. Zwei Antriebe können somit spiegelverkehrt angebracht werden.
Außerdem sorgt das virtuelle Getriebe dafür, dass das tatsächlich gestellte Drehmoment (act_torque) des einzelnen Antriebs auf die Achse berechnet wird. Die Summe aller Achsteilmomente wird auf der Steuerung zum Achsmoment umgerechnet und an das Datenmodel aller Antriebe gesendet. Eine Achse ist somit ein Modul, und kann ausgetauscht werden. Man kann sowohl eine beliebige Anzahl an Antrieben verwenden, welche über das virtuelle Getriebe parametrierbar sind, oder einen einzigen Antrieb ohne virtuelles Getriebe, weil die Schnittstellen zum Datenmodell in allen Fällen gleichbleiben.
Bei der Bestimmung der Drehmomente 3 wird der Getriebefaktor, falls notwendig, in die Istwerte, als auch in die Stellgrößen verrechnet. Es findet eine Berücksichtigung aller Antriebsvorrichtungen 100 im System 200 statt. Ferner werden die Istwerte des Master-Aktuators 110-1 berücksichtigt. Der Regelalgorithmus berücksichtigt die Sollwerte 10 für die auszuführende Bewegung der Antriebsvorrichtung 110.
Weiterhin ist ein Positionsregler TTC (Trajectory Tracking Control) vorgesehen. Dieser liefert ein zu stellendes Drehmoment für die Antriebsvorrichtung 100.
Um die entsprechende stationäre Genauigkeit zu erzielen, so dass eine Sollposition einer Antriebsvorrichtung 100 erreicht wird, wird Störgrößendetektor SGD zum Erfassen eines Störmomentes, insbesondere zum Schätzen eines Störmomentes, das bspw. auf die Achse 140 einer Antriebsvorrichtung 100 einwirkt, verwendet. Das einwirkende Störmoment kann somit bei entgegengesetzter Aufschaltung kompensiert werden. In vorteilhafter Weise ist erkannt worden, dass wenn mehrere Aktuatoren miteinander oder teilweise gegeneinander arbeiten, dass nicht jeder Aktuator 110-x der Antriebsvorrichtung 100 mit einem solchen Störgrößendetektor versehen werden kann. Dies kann dazu führen, dass die einzelnen Aktuatoren 110-x sich gegenseitig mit einer maximalen Leistung kompensieren würden. Einer der Menge von Aktuatoren 110-x wird als Master-Aktuator festgelegt. Über diesen Master-Aktuator wird das Gesamtstörmoment geschätzt und stellt die ermittelte Ist-Position an die Aktuatorsteuereinheit bzw. an das Antriebsmodell 123 als Ist-Position der Antriebsvorrichtung 100 bereit.
7 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer vorteilhaften Implementierung. Wie ersichtlich sind die drei Aktuatoren 110 beispielhaft als Slave und ein Aktuator 110 als Master ausgebildet. Auf allen Aktuatoren ist eine Sensorik verbaut, mit Drehmomentsensoren und Positionssensoren. Des Weiteren ist eine lokale Recheneinheit P2T sowie ein Drehmomentregler TC und ein Positionsregler TTC implementiert. Der Drehmomentregler TC und der Positionsregler TTC können auch in der lokalen Recheneinheit implementiert und vorzugsweise in einer Kaskade verschaltet sein.
Das Datenmodell kann lokal implementiert sein und als Schnittstelle zu der zentralen Aktuatorsteuereinheit 120 dienen. Das Datenmodell kann als Datenablage bzw. Speicher verstanden werden, auf den Master und Slaves Zugriff haben. Das Datenmodell kann alternativ oder kumulativ zentral auf der Aktuatorsteuereinheit 120 implementiert sein. Auf allen Slaves wird das Ist-Drehmoment erfasst und an die Aktuatorsteuereinheit 120 übermittelt, die dazu eingerichtet ist, alle erfassten Ist-Drehmomente zu summieren und darauf basierend ein Soll-Drehmoment zu berechnen, das an die Aktuatoren 110 zurückgespielt wird. Auf dem als Master fungierenden Aktuator 110 wird zusätzlich ein Positionssignal erfasst.
Zusätzlich umfasst der Master in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen Störgrößendetektor SGD, dessen Signale ebenfalls an die Aktuatorsteuereinheit 120 zur Auswertung übermittelt wird. Es wird ein Stör(dreh-)moment mit Hilfe des sogenannten Störgrößendetektors SGD erfasst. Der Störgrößendetektor SGD wird rein in Software umgesetzt und schätzt das auf die Welle wirkende Drehmoment, welches nicht von dem zugrundeliegenden Nominalmodell der Strecke bestimmbar ist. Der Störgrößendetektor SGD ist also ein Simulationsmodell der Strecke, der in Echtzeit läuft, und anhand der Abweichung zwischen gemessenen und simulierten Signalen (Positionssignal) die Schätzung eines von außen auf die Welle wirkenden Momentes durchführt. Der Störgrößendetektor SGD ist ein dynamisches Modell und schätzt die Summe aller Störmomente, welche auf die Welle wirken (z.B. nicht modellierte Reibung, Kollisionen, nicht modellierte Lastmasse, etc...).
Diese Störgröße (Störmoment) wird, wie oben beschrieben, nur vom Masterantrieb geschätzt.
Die generelle Aufgabe des Verfahrens bzw. der Aktuatorsteuereinheit ist es jedoch, dass die Achse positionsgenau geregelt werden kann, ohne dass Antriebe gegeneinander arbeiten. Das virtuelle Getriebe würde auch ohne die Schätzung der Störgröße funktionieren, die Positionsregelung wäre nur nicht so genau
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Erfindung und die Ausführungsbeispiele grundsätzlich nicht einschränkend in Hinblick auf eine bestimmte physikalische Realisierung der Erfindung zu verstehen sind. Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt. Die vom TTC bereitgestellte Soll-Drehzahl wird im Punkt 6 basierend auf einem entsprechenden Faktor invertiert. Weiterhin kann das Soll-Drehmoment mit einem notwendigen Faktor multipliziert werden, bevor es zur Berechnung des Ist-Drehmomentes übertragen wird.
Bezugszeichenliste

M: Messung
V: Verfahren
1: Position
2: Soll-Drehmoment
3: Ist-Drehmoment
4: Ist-Position
5: Punkt 5
6: Punkt 6
7: Ist-Gesamtdrehmoment
8: Druckverhältnis
9: Drehmoment
10: Bewegungsparameter
100: Antriebsvorrichtung
110-1: Aktuator
110-2: Aktuator
110-x: Menge von Aktuatoren
120: Aktuatorsteuereinheit
121: Prozessor
122: Speicher
123: Antriebsmodell
124: Positionssensoren
125: Drehmomentsensoren
126: Schnittstelle
130: Getriebe
140: Achse
200: System
210: Steuereinheit
SGD: Störgrößendetektor
S1-S5: Verfahrensschritte: Erfassen, Ermitteln, Berechnen, Ermitteln, koordiniertes Zuweisen;

Claims

Verfahren (V) zum Berechnen einer Lastzuweisung an einer Antriebsvorrichtung (100) für eine Menge von Aktuatoren (110-x), die dieselbe Antriebsvorrichtung (100) antreiben, mit den folgenden Schritten: - Auslösen eines Erfassens (S1) einer Ist-Position eines Aktuators (110-1) der Menge von Aktuatoren (10-x); - Auslösen eines Ermittelns (S2) eines Ist-Drehmomentes für jeden Aktuator (110-1, 110-2) der Menge von Aktuatoren (110-x) und - Auslösen eines Berechnens (S3) eines Ist-Gesamtdrehmomentes, das sich berechnet aus der Summe der ermittelten Ist-Drehmomente; - Ermitteln (S4) eines Soll-Drehmomentes für die Antriebsvorrichtung (100), basierend auf dem Ist-Gesamtdrehmoment und der erfassten Ist-Position; und - Koordiniertes Zuweisen (S5) des ermittelten Soll-Drehmomentes auf die Menge der die Antriebsvorrichtung (100) antreibenden Aktuatoren (110-x), basierend auf einem in einem Antriebsmodell (123) vorgegebenen Antriebsfaktor, wobei das Erfassen einer Ist-Position, ein Bestimmen eines Master-Aktuators (110-1) aus der Menge von Aktuatoren (110-x) und das Zuweisen eines Masterstatus zu dem bestimmten Master-Aktuator (110-1) und das Zuweisen eines Slavestatus für die weiteren Aktuatoren (110-2) umfasst.
Verfahren (V) gemäß dem unmittelbar vorherigen Anspruch, wobei das Ermitteln des Ist-Drehmomentes unter Einbeziehung von Druckdifferenzen in den Kammern erfolgt und/oder zumindest indirekt auf Basis der erfassten Ist-Position.
Verfahren (V) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Aktuatoren (110-x) der Antriebsvorrichtung (110) als elektrische und/oder pneumatische Aktuatoren ausgebildet sind.
Verfahren (V) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Aktuatoren (110-x) ein voneinander abweichendes Größenverhältnis und/oder eine unterschiedliche Wirkrichtung aufweisen können.
Verfahren (V) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Menge der Aktuatoren (110-x) in der Antriebsvorrichtung (110) zueinander parallel angeordnet sind.
Verfahren (V) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 5, wobei das Ist-Drehmoment aus den Kammerdrücken der pneumatischen Aktuatoren ermittelt wird.
Verfahren (V) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ist-Position über zumindest einen Positionssensor erfasst wird.
Verfahren (V) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 und 3 bis 6, wobei der Masteraktuator einen Störgrößendetektor (SGD) zum Erfassen einer Störgröße umfasst.
Verfahren (V) gemäß Anspruch 8, wobei die ermittelte Störgröße entgegengesetzt zum Ist-Drehmoment aufgeschaltet wird, wenn das Störmoment in dieselbe Richtung wirkt wie das Ist-Drehmoment und/oder in Richtung des Ist-Drehmomentes aufgeschaltet wird, wenn das Störmoment entgegengesetzt wirkt.
Verfahren (V) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Aktuatoren (110-x) einen Positionsregler und einen Drehmomentenregler aufweisen.
Aktuatorsteuereinheit (120) zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Menge von Aktuatoren (110-x), die dieselbe Antriebsvorrichtung (100) antreiben, wobei die Aktuatorsteuereinheit (120) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche ausgebildet ist, mit: - Einer Schnittstelle zu einer Menge von Positionssensoren (124), die zum Erfassen einer Ist-Position eines Aktuators (110-1, 110-2) aus einer Menge von Aktuatoren (110-x) bestimmt sind; - Einer Schnittstelle zu einer Menge von Drehmomentsensoren (125) zum Ermitteln eines Ist-Drehmomentes für jeden Aktuator (110-1, 110-2) der Menge von Aktuatoren (110-x) ; - Einem Prozessor (121), der dazu bestimmt ist, ein Ist-Gesamtdrehmoment aus der Summe der ermittelten Ist-Drehmomente zu berechnen und wobei der Prozessor (121) dazu bestimmt ist, ein Soll-Drehmoment für die Antriebsvorrichtung (100), basierend auf dem ermittelten Ist-Gesamtdrehmoment und der erfassten Ist-Position zu ermitteln und der weiterhin dazu bestimmt ist, das ermittelte Soll-Drehmoment an die Menge der die Antriebsvorrichtung (100) antreibenden Aktuatoren (110-x) auf koordinierte Weise zuzuweisen, basierend auf einem in einem Antriebsmodell (123) vorgegebenen Antriebsfaktor.
Antriebsvorrichtung (100) umfassend: - Wenigstens einen ersten Aktuator (110-1) und einen zweiten Aktuator (110-2); - Wenigstens eine Aktuatorsteuereinheit (120) mit einem Speicher (122), wobei die Aktuatorsteuereinheit (120) dazu bestimmt ist, das Verfahren gemäß einem der vorherigen Verfahrensansprüche auszuführen.
System (200) zum Berechnen einer Lastzuweisung für eine Menge von Aktuatoren (110-x), wobei die Aktuatoren dieselbe Antriebsvorrichtung (100) antreiben, umfassend: eine Steuereinheit (210), die dazu bestimmt ist, Steuersignale basierend auf einem gespeicherten Antriebsmodell (123) zum Antrieb der antreibenden Aktuatoren (110-1, 110-2) der Antriebsvorrichtung (100) bereitzustellen; und wenigstens eine Aktuatorsteuereinheit (120) mit einem Speicher (122), die dazu bestimmt ist, das Verfahren gemäß einem der vorherigen Verfahrensansprüche auszuführen.
Computerprogramm mit Programmcode für das Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, wenn das Computerprogramm auf einem elektronischen Gerät ausgeführt wird.
Industrieroboter, Turbine oder Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Antriebsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 12.