DE10213375A1

DE10213375A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Kommutierungsoffset

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Publication number: DE10213375A1
Application number: DE10213375A
Authority: DE
Inventors: Hans Lengenfelder; Frieder Kohler; Bernhard Wastlhuber
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-09

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Kommutierungsoffsets KO aus der Abweichung der tatsächlichen Position des Läufers 12 einer Synchronmaschine 1 von einem steuerungsinternen Kommutierungswinkel sinalpha, der aus einem Positionssignal S¶POS¶ abgeleitet wird, das von einer die Läuferposition erfassenden Positionsmesseinrichtung 2 abgegeben wird, die mit dem Läufer 12 und dem Ständer 11 der Synchronmaschine 1 und mit einer numerischen Steuerung 3 verbunden ist, die über ein Leistungsteil 9 die Synchronmaschine 1 ansteuert und einen Stromregler 5 enthält, dessen Eingang mit der Differenz eines Strom-Sollwertes I¶soll¶ und eines am Ausgang des Leistungsteils 9 erfassten Strom-Istwertes I¶ist¶ beaufschlagt ist, und dessen Ausgang eine Regler-Ausgangsspannung inverse Spannung U¶inv¶ an das Leistungsteil 9 abgibt, werden der Strom-Sollwert I¶soll¶ auf Null gesetzt, der Läufer 12 und/oder der Ständer 11 der Synchronmaschine 1 relativ zueinander bewegt, der Verlauf der von der Regeleinrichtung 5 an das Leistungsteil 9 abgegebenen Regler-Ausgangsspannung inverse Spannung U¶inv¶ erfasst und mit dem Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels sindalpha verglichen und aus dem Vergleich des Verlaufs der Regler-Ausgangsspannung U¶inv¶ mit dem Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels sinalpha die Phasenabweichung DELTAphi bzw. der Kommutierungsoffset KO bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Kommutierungsoffset aus der Abweichung der tatsächlichen Position des Läufers einer Synchronmaschine von dem Positionssignal einer die Läuferposition erfassenden Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9.

Es ist bekannt, zur Ansteuerung von Synchronmaschinen, d. h. rotierenden Synchronmotoren oder synchronen Linearmotoren, die Läuferposition mittels einer Positionsmesseinrichtung zu erfassen und bei bekannter relativer Lage zwischen der tatsächlichen Läuferposition und der mittels der Positionsmesseinrichtung erfassten Läuferposition einen Kommutierungsoffset zu berechnen und bei der Ansteuerung eines die Synchronmaschine speisenden Leistungsteils, beispielsweise einer Kommutierungseinrichtung in Form eines Umrichters, zu verwenden. Die Erfassung der Läuferposition kann sowohl mit einem absoluten Positionsmeßsystem, bei dem die Läuferposition unmittelbar nach der Aktivierung der Synchronmaschine erfasst wird, als auch mit einem inkrementalen Positionsmeßsystem erfolgen, bei dem erst nach dem Überfahren einer oder mehrerer Referenzmarken die absolute Läuferposition ermittelt wird.

Ist der Kommutierungsoffset, d. h. die Phasenabweichung zwischen der tatsächlichen Läuferposition und der mit der Positionsmesseinrichtung erfassten Läuferposition bekannt, so kann die um den Kommutierungsoffset korrigierte, gemessene Läuferposition der Ansteuerung der Synchronmaschine zugrunde gelegt werden. Ist der Kommutierungsoffset jedoch nicht bekannt, wie dies beispielsweise bei neu installierten Positionsmesseinrichtungen der Fall ist, so muss der Zusammenhang zwischen dem von der Positionsmesseinrichtung abgegebenen Positionssignal und der tatsächlichen Ausrichtung des Synchronmaschinen-Läufers ermittelt werden.

Zur Ermittlung des Kommutierungsoffset ist es bekannt, eine Gleichspannung an eine Phase des Synchronmotors anzulegen und damit den Rotor in eine definierte Lage zu zwingen, um die Positionsmesseinrichtung in Übereinstimmung mit der Rotorstellung zu bringen. Bei unbelastetem Synchronmotor kann ein derartiger Abgleich wegen des Auftretens von Reibungseffekten zu Ungenauigkeiten führen. Bei unter Last stehender Rotorachse des Synchronmotors, einer sog. "hängenden Achse", ist diese Form des Abgleichs nicht möglich, da bei fehlendem Gegenmoment durch das Einwirken der Last eine unkontrollierte Bewegung auftreten würde.

Alternativ kann eine Messung der Induktivitäten der einzelnen Motorphasen vorgenommen werden, um die tatsächliche Läuferposition zu ermitteln.

Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, die tatsächliche Läuferposition mittels in oder an der Synchronmaschine angeordneter externer Sensoren, beispielsweise Spannungs- oder Hallsensoren zu erfassen. Eine derartige Erfassung erfordert jedoch einen erheblichen zeitlichen und apparativen Aufwand, nämlich die Installation teurer Sensoren sowie die Herstellung zusätzlicher Leitungsverbindungen und schliesst damit die Gefahr von Bedienungsfehlern durch falsche Polung der Motoranschlüsse und fehlerhafte Leitungsverbindungen ein.

Eine Messeinrichtung der genannten Art ist aus der DE 30 03 709 C2 bekannt und wird zur Erfassung der Pollage und des Schlupfes bei Synchronmaschinen eingesetzt, um bereits im Stillstand einen Messwert für die Pollage zu erhalten. Die bekannte Messeinrichtung kann mit geringen konstruktiven Änderungen sowohl bei rotierenden Synchronmaschinen als auch bei synchronen Linearmotoren eingesetzt werden und weist ein im Streufeld zwischen Ständer und Läufer der Synchronmaschine angeordnetes Messwerk auf, das nach dem Prinzip einer Synchronmaschine aufgebaut ist, die einen diametral magnetisierten Permanentmagnet-Läufer und eine Anordnung zum Erfassen von Auslenkungen und Drehbewegungen des Permanentmagnet-Läufers sowie eine der Messeinrichtung nachgeschaltete Auswerteinrichtung enthält.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, durch die mit geringem schaltungs- und meßtechnischem Aufwand ein genauer Abgleich zwischen der tatsächlichen und der gemessenen Läuferposition zur Bestimmung eines Kommutierungsoffset aus der Abweichung der Phasenlage der absoluten Position des Läufers einer Synchronmaschine von der Phasenlage des steuerungsinternen Kommutierungswinkels, der aus dem Positionssignal einer die Läuferposition erfassenden Positionsmesseinrichtung ermittelt wird, insbesondere ohne zusätzliche Sensoren oder Eingriffe in die Synchronmaschine, die Positionsmesseinrichtung oder die Steuerung der Synchronmaschine ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen mit geringem schaltungs- und meßtechnischem Aufwand einen exakten Abgleich zwischen der tatsächlichen und der gemessenen Läuferposition zur Bestimmung eines Kommutierungsoffset aus der Abweichung der Phasenlage der absoluten Position des Läufers einer Synchronmaschine von der Phasenlage des steuerungsinternen Kommutierungswinkels, der aus dem Positionssignal einer die Läuferposition erfassenden Positionsmesseinrichtung ermittelt wird, ohne daß zusätzliche Sensoren oder Eingriffe in die Synchronmaschine, die Steuerung der Synchronmaschine und/oder die Positionsmesseinrichtung erforderlich sind, so daß die Gefahr von Bedienungsfehlern weitestgehend eliminiert wird.

Die erfindungsgemäßen Lösungen machen von den physikalischen Grundlagen einer bewegten Synchronmaschine Gebrauch, wonach bei einer von außen eingeprägten Bewegung eines Synchronmotors eine Spannung induziert wird, die bei einem geschlossenen Stromkreis einen entsprechenden Stromfluß zur Folge hat. Weiterhin geht die erfindungsgemäße Lösung davon aus, statt externer Sensoren die vorhandenen Möglichkeiten und Bauelemente einer numerischen Steuerung für die Synchronmaschine zu nutzen.

Zu diesem Zweck wird die Stromregelung in der numerischen Steuerung aktiviert und der Sollwert des Stromes auf 0 Ampere, d. h. I_soll = 0, gesetzt. Um einen der Strom-Sollwertvorgabe mit I_soll = 0 entsprechenden Stromfluss zu unterbinden, regelt der Stromregler den Istwert des Stromes I_ist auf Null und gibt daher eine Regler-Ausgangsspannung an das Leistungsteil zur Speisung der Synchronmaschine ab, die der durch die Bewegung der Synchronmaschine induzierten Spannung entgegengerichtet ist. Die dem tatsächlichen Kommutierungswinkel der Synchronmaschine entsprechende Phasenlage der zur induzierten Spannung inversen Spannung U_inv wird dann erfaßt und in der numerischen Steuerung verarbeitet.

Da der numerischen Steuerung zusätzlich das von der Positionsmesseinrichtung gemessene Positionssignal des Synchronmaschinen-Läufers zugeführt wird, aus dem der sinusförmige Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels abgeleitet wird, kann die Phasenabweichung zwischen dem sinusförmigen Verlauf der absoluten Läuferposition und dem aus dem gemessenen Positionsignal ermittelten sinusförmigen Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels, d. h. der Kommutierungsoffset, unmittelbar in der numerischen Steuerung bestimmt werden.

Dies kann auf besonders einfache Weise dadurch erfolgen, dass die Phasenlage der Regler-Ausgangsspannung mit der Phasenlage des steuerungsinternen Kommutierungswinkels verglichen, der sich aus der Phasenabweichung zwischen der Phasenlage der Regler-Ausgangsspannung und der Phasenlage des steuerungsinternen Kommutierungswinkels ergebende Kommutierungsoffset bestimmt und als korrigierter Kommutierungsoffset der numerischen Steuerung eingegeben wird.

Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Phasenabweichung aus der zeitlichen Differenz der Nulldurchgänge der Regler-Ausgangsspannung und der Nulldurchgänge des steuerungsinternen Kommutierungswinkels, dem Quotienten aus der zeitlichen Differenz und der Periodendauer sowie dem Produkt aus diesem Quotienten und 360 Winkelgraden ermittelt wird.

Vorzugsweise wird die Bestimmung des korrigierten Kommutierungsoffset iterativ wiederholt wird bis die Phasenabweichung zwischen der Regler-Ausgangsspannung und dem steuerungsinternen Kommutierungswinkel kleiner als ein vorgegebener Grenzwinkel ist oder beide Sinuskurven miteinander in Phase sind.

Mit diesem Verfahrensschritt wird durch iterative Annäherung ein optimaler Wert für den Kommutierungsoffset ermittelt und der numerischen Steuerung zugeführt.

Somit können mit den in der numerischen Steuerung verfügbaren Bauelementen die Kurvenverläufe der der tatsächlichen Läuferposition entsprechenden inversen Spannung und des aus dem von der Positionsmesseinrichtung gemessenen Positionsmesssignal abgeleiteten steuerungsinternen Kommutierungswinkels verglichen und daraus ein neuer bzw. korrigierter Kommutierungsoffset berechnet und in die numerische Steuerung eingegeben werden.

Alternativ zu einer messtechnischen und rechnerischen Bestimmung des Kommutierungsoffset unter Einbeziehung des Steuerungsoszilloskops durch eine Bedienungsperson kann die Bestimmung des Kommutierungsoffset auch automatisch durch die numerische Steuerung in der Weise durchgeführt werden, dass eine Auswerteinrichtung der numerischen Steuerung charakteristische Werte des Verlaufs der Regler-Ausgangsspannung und des Verlaufs des steuerungsinternen Kommutierungswinkels, insbesondere die Nulldurchgänge der Regler-Ausgangsspannung und die in derselben Richtung verlaufenden Nulldurchgänge des steuerungsinternen Kommutierungswinkels, erfasst und aus der zeitlichen Abweichung oder der Winkelabweichung der charakteristischen Werte gegebenenfalls iterativ den Kommutierungsoffset bestimmt.

Die automatische Bestimmung des Kommutierungsoffset kann sowohl mit diskreten Bauelementen der numerischen Steuerung als auch mit Hilfe eines Auswertungsprogramms rechnergestützt durchgeführt werden, wobei zur iterativen Annäherung an den optimalen Kommutierungsoffset gegebenenfalls mehrere Programmschleifen durchlaufen werden.

Wesentlich für die optimale Bestimmung des Kommutierungsoffset ist eine möglichst gleichmässige von aussen eingeprägte, d. h. manuelle Bewegung des Synchronmotors mit einer Geschwindigkeit, die zur Erzeugung eines auswertbaren Spannungssignals ausreicht, da die induzierte Spannung und damit die für die Auswertung benötigte inverse Gegenspannung von der Konstanz und ausreichenden Höhe der Geschwindigkeit abhängt.

Zu diesem Zweck gibt die numerische Steuerung nach der Initiierung einer Bestimmung des Kommutierungsoffset ein erstes optisches und/oder akustisches Signal zur Einleitung der Bewegung der Synchronmaschine sowie ein Bestätigungssignal bei ausreichender und hinreichend konstanter Bewegung der Synchronmaschine bzw. ein Fehlersignal bei nicht ausreichender und/oder hinreichend konstanter Bewegung der Synchronmaschine ab.

Eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Kommutierungsoffset aus der Abweichung der tatsächlichen Position des Läufers einer Synchronmaschine von einem steuerungsinternen Kommutierungswinkel, der aus einem Positionssignal abgeleitet wird, das von einer die Läuferposition erfassenden Positionsmeßeinrichtung abgegeben wird, die mit dem Läufer und dem Ständer der Synchronmaschine und mit einer numerischen Steuerung verbunden ist, die über ein Leistungsteil die Synchronmaschine ansteuert und einen Stromregler enthält, dessen Eingang mit der Differenz eines Strom-Sollwertes und eines am Ausgang des Leistungsteils erfassten Strom-Istwertes beaufschlagt ist, und dessen Ausgang eine Regler-Ausgangsspannung an das Leistungsteil abgibt, ist durch Mittel zum Verschieben des Läufers der Synchronmaschine, Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung und eine Vergleichseinrichtung gekennzeichnet, an deren Eingänge das Ausgangssignal der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung und der steuerungsinterne Kommutierungswinkel angelegt sind.

Die Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung können aus dem Strom-Sollwertgeber des Stromreglers der numerischen Steuerung bestehen.

Die Vergleichseinrichtung kann in einer ersten Ausführungsform aus einem Steuerungsoszilloskop der numerischen Steuerung bestehen, dessen erster Eingang mit der Ausgangsspannung der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung und dessen zweiter Eingang mit dem steuerungsinternen Kommutierungswinkel beaufschlagt ist und das den Verlauf der Ausgangsspannung der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung und des steuerungsinternen Kommutierungswinkels anzeigt. Aus den angezeigten Werten kann der Benutzer dann den Kommutierungsoffset bzw. einen Korrekturwert ermitteln und diesen Wert der numerischen Steuerung eingeben bzw. zur Ermittlung eines weiteren Korrekturwertes für den Kommutierungsoffset verwenden.

Alternativ kann die Vergleichseinrichtung aus einer Auswerteinrichtung bestehen, deren erster Eingang mit der Ausgangsspannung der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung und deren zweiter Eingang mit dem steuerungsinternen Kommutierungswinkel beaufschlagt ist und deren Ausgang einen aus dem Vergleich der Ausgangsspannung der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung mit dem steuerungsinternen Kommutierungswinkel berechneten Kommutierungsoffset vorzugsweise an einen Korrektureingang einer den steuerungsinternen Kommutierungswinkel aus den von der Positionsmesseinrichtung abgegebenen Positionssignalen bestimmenden Umwandlungseinheit abgibt.

In einer Ausführungsform kann die Auswerteinrichtung einen Zähler aufweisen, der durch ein aus einem charakteristischen Wert, insbesondere einem Nulldurchgang der Sinuskurve der Regler-Ausgangsspannung gebildetes erstes Triggersignal gesetzt und ein aus einem charakteristischen Wert, insbesondere einem Nulldurchgang, der Sinuskurve des steuerungsinternen Kommutierungswinkels gebildetes zweites Triggersignal zurückgesetzt wird und dessen Ausgang Zählimpulse zwischen dem Setzen und Rücksetzen an ein Korrekturglied der numerischen Steuerung abgibt.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch-perspektivische Darstellung eines synchronen Linearmotors und eines linearen Positions Meßsystems sowie ein Blockschaltbild der numerischen Steuerung und des Leistungsteils zur Speisung des synchronen Linearmotors,

Fig. 2 ein schematisches Flussdiagramm zur Bestimmung des Kommutierungsoffset und

Fig. 3-5 Signalverläufe der die tatsächliche Läuferposition wiedergebenden Regler- Ausgangsspannung bzw. inversen Spannung und des aus dem von der Positionsmesseinrichtung abgegebenen Positionssignal abgeleiteten steuerungsinternen Kommutierungswinkels bei unterschiedlichem Kommutierungsoffset.

Die schematisch-perspektivische Darstellung der Fig. 1 zeigt einen synchronen Linearmotor 1 mit einem Ständer 11 und einem Läufer 12, beispielsweise eine Werkzeugmaschine mit einem als Ständer ausgebildeten Maschinenbett 11 und einem als Läufer ausgebildeten Werkzeugschlitten 12. Dem synchronen Linearmotor 1 zugeordnet ist ein lineares Positions- oder Längenmessgerät 2, beispielsweise ein gekapseltes Längenmessgerät, zur Bestimmung der Relativlage des Läufers 12 zum Ständer 11 des synchronen Linearmotors 1, das aus einem mit dem Ständer 11 verbundenen Hohlkörper 21 und einem mit dem Läufer 12 verbundenen Montagefuß 22 besteht. Der Hohlkörper 21 enthält eine Maßverkörperung in Form eines Maßstabes 23 und eine den Maßstab 23 abtastende Abtasteinrichtung, die über einen Mitnehmer mit dem ausserhalb des Hohlkörpers 21 angeordneten und mit dem Läufer 12 des synchronen Linearmotors 1 gekoppelten Montagefuß 22 verbunden ist.

Dabei ragt der Mitnehmer durch einen im Hohlkörper 21 vorgesehenen und in Messrichtung verlaufenden Schlitz vom Inneren des Hohlkörpers 21 zu dem ausserhalb des Hohlkörpers 21 angeordneten Montagefuß 22. Bei Relativbewegungen zwischen dem Läufer 12 und dem Ständer 11 des synchronen Linearmotors 1 wird die Bewegung des Läufers 12 über den Montagefuß 22 auf die Abtasteinrichtung des linearen Positions- oder Längenmessgeräts 2 übertragen, wobei der Mitnehmer innerhalb des Schlitzes in Messrichtung relativ zur Messteilung verfahren und die Bewegung gemessen wird.

Das als Positionsmeßgerät dienende Längenmessgerät 2 kann wahlweise als absolutes Meßsystem oder als inkrementales Meßsystem ausgebildet sein und gibt an seinem Ausgang ein der aktuellen Läuferposition, d. h. der Position des Läufers 12 in Bezug auf den Ständer 11 des synchronen Linearmotors 1 entsprechendes Positionssignal S_Pos in Längeneinheiten ab. (Bei einem rotierenden System würde ein entsprechendes Meßsystem das jeweilige Positionssignal in Winkeleinheiten abgeben).

Zur Steuerung des synchronen Linearmotors 1 ist eine numerische Steuerung 3 vorgesehen, die ein Steuerungsoszilloskop 4 zur Kalibrierung und Einstellung verschiedener Parameter des synchronen Linearmotors, sowie einen Stromregler 5 mit einem Strom- Sollwertgeber 6 und einem Vergleichs- oder Differenzglied 72 enthält. Der Ausgang der numerischen Steuerung 3 ist mit einem Leistungsteil 9, beispielsweise einem Umrichter zur Speisung der Ständer- bzw. Läuferwicklungen des synchronen Linearmotors 1 mit einer beispielsweise dreiphasigen Spannung U_S verbunden. Am Ausgang des Leistungsteils 9 ist ein Strom-Istwertgeber 71 vorgesehen, der mit dem Vergleichs- oder Differenzglied 72 verbunden ist.

Die am Ausgang des Längenmessgeräts 2 anstehenden Positionssignale S_Pos werden in einer Umwandlungseinheit 8 in einen steuerungsinternen Kommutierungswinkel a umgerechnet, den die Steuerung bei der Motorkommutierung verwendet. Der sinusförmige Verlauf sinα des steuerungsinternen Kommutierungswinkel α wird an einen ersten Eingang des Steuerungsoszilloskops 4 angelegt, während ein zweiter Eingang des Steuerungsoszilloskops 4 mit dem Ausgangssignal U_inv des Stromreglers 5 der numerischen Steuerung 3 bzw. dem Eingangssignal des Leistungsteils 9 zur Speisung des synchronen Linearmotors 1 beaufschlagt ist, so daß am Steuerungsoszilloskop 4 der sinusförmige Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkel sinα mit dem sinusförmigen Verlauf der inversen Spannung U_inv, deren Phasenlage dem tatsächlichen Kommutierungswinkel des Linearmotors 1 entspricht, verglichen und damit der steuerungsinterne Kommutierungswinkel sinα auf den tatsächlichen Kommutierungswinkel abgeglichen wird.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Auswerteinrichtung 10 vorgesehen werden, der dem gemessenen Positionssignal S_POS entsprechende steuerungsinterne Kommutierungswinkel sinα von der Umwandlungseinheit 8 und die die tatsächliche Läuferposition wiedergebende inverse Spannung U_inv zugeführt werden und die einen Kommutierungsoffset KO an die Umwandlungseinheit 8 abgibt.

Unabhängig von der Art des verwendeten Längenmessgerätes 2 ist bei der Inbetriebnahme des Längenmessgeräts 2 bzw. bei der Inbetriebnahme sowohl des synchronen Linearmotors 1 als auch des Längenmessgeräts 2 ein Abgleich zwischen der tatsächlichen Position des Läufers 12 in Bezug auf den Ständer 11 des synchronen Linearmotors 1, die durch die Regler-Ausgangsspannung bzw. inverse Spannung U_inv wiedergegeben wird, und dem steuerungsinternen Kommutierungswinkel sinα, der aus der vom Längenmessgerät 2 gemessenen Position des Läufers 12 abgeleitet wird, erforderlich. Dieser Abgleich zur Ermittlung des Kommutierungsoffset KO, d. h. der Phasenabweichung zwischen der gemessenen Läuferposition und der tatsächlichen Läuferposition, wird der Umwandlungseinheit 8 der numerischen Steuerung 3 eingegeben, damit der steuerungsinterne Kommutierungswinkel sinα um das Maß des Kommutierungsoffset korrigiert die tatsächliche Läuferposition wiedergibt.

Das Abgleichsverfahren zur Bestimmung des Kommutierungsoffset soll nachstehend anhand des in der Fig. 2 dargestellten Flussdiagramms näher erläutert werden.

Nach der Initiierung der Läuferpositionserfassung zur Ermittlung des Kommutierungsoffset wird der Strom-Sollwertgeber 6 so eingestellt, dass der Strom-Sollwert auf Null, d. h. I_Soll = 0, gesetzt wird. Anschliessend wird der Läufer 12 des synchronen Linearmotors 1 möglichst gleichmäßig mit einer Geschwindigkeit bewegt, die ausreicht, ein auswertbares Signal zu erzeugen. Die Bewegung des Läufers 12 kann manuell erfolgen, wobei gegebenenfalls eine Überwachungseinrichtung das Einhalten einer möglichst konstanten sowie einer hinreichend großen Geschwindigkeit feststellt und bei einer Abweichung von vorgegebenen Grenzwerten zur erneuten Verschiebung des Läufers 12 auffordert bzw. diese erneut auslöst.

Die durch die Bewegung des Läufers 12 in der Ständerwicklung 11 induzierte Spannung würde im geschlossenen Stromkreis einen Stromfluss zur Folge haben. Wegen des am Strom-Sollwertgeber 6 abgegebenen, auf Null eingestellten Strom-Sollwertes gibt der Stromregler 5 eine Regelspannung an das Leistungsteil 9 ab, die der durch die Bewegung des Läufers 12 induzierten Spannung entgegengerichtet ist und nachfolgend als inverse Spannung U_inv bezeichnet wird. Diese der tatsächlichen Läuferposition entsprechende inverse Spannung U_inv wird der numerischen Steuerung 3 zusammen mit dem aus dem gemessenen Positionssignal S_POS abgeleiteten steuerungsinternen Kommutierungswinkel sinα zum Abgleich des steuerungsinternen Kommutierungswinkels sinct auf den tatsächlichen Kommutierungswinkel eingegeben.

Dieser Abgleich kann in einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Lösung dadurch erfolgen, dass die inverse Spannung U_inv und der sinusförmige Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels sinα an Eingänge des Steuerungsoszilloskops 4 gelegt werden, auf dessen Bildschirm beide Kurvenverläufe dargestellt und zur Bestimmung des Kommutierungsoffset zur Deckung gebracht werden bzw. so zueinander ausgerichtet werden, dass die Nulldurchgänge der beiden Kurvenverläufe übereinstimmen.

Fig. 3 zeigt die Anzeige des Steuerungsoszilloskops nach einer ersten Verschiebung des Läufers 12 des synchronen Linearmotors 1 mit der am Ausgang des Stromreglers 5 abgegebenen sinusförmigen Regler-Ausgangsspannung bzw. inverse Spannung U_inv sowie des sinusförmigen Verlaufs des steuerungsinternen Kommutierungswinkels sinα, der aus dem vom Längenmessgerät 2 abgegebenen Positionssignal S_POS abgeleitet wurde, als sinusförmige Kurvenverläufe in Bezug auf die Zeitachse t.

Zwischen den positiven Nulldurchgängen t₀[U_inv] und t₀[sinα] der beiden Sinuskurven U_inv und sinα liegt eine Zeitspanne Δt, um die die Sinuskurve U_inv gegenüber der Sinuskurve sinα voreilt, d. h. die Sinuskurve des steuerungsinternen Kommutierungswinkels sinα muss um Δt gegenüber der Sinuskurve der inversen Spannung U_inv vorgezogen werden, um deckungsgleiche Nulldurchgänge beider sinusförmiger Kurven zu erzielen. Aus dieser zeitlichen Abweichung des positiven Nulldurchgangs t₀[U_inv] der inversen Spannung U_inv vom positiven Nulldurchgang t₀[sinα] des steuerungsinternen Kommutierungswinkels sinα und der Periodendauer T_P der Sinuskurven wird eine Phasenabweichung Δφ aus der Beziehung

ermittelt.

Ist abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 3 die Phasenabweichung Δφ = 0, d. h. befinden sich der sinusförmige Verlauf der inversen Spannung U_inv und der sinusförmige Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels sinct in Phase oder ist die Phasenabweichung Δφ geringer als ein vorgegebener Grenzwinkel φ_max, so ist der Kommutierungsoffset KO ermittelt und kann entsprechend in die Umwandlungseinheit 8 eingegeben werden. Andernfalls wird aus der Phasenabweichung Δφ und einem Ausgangs- Kommutierungsoffset bzw. einem vorangehend ermittelten Kommutierungsoffset KO ein (neuer) Wert des Kommutierungsoffset KO* aus der Beziehung

KO* = KO + Δφ

ermittelt.

Wird dieser (ggf. neue) Abgleichswert oder Kommutierungsoffset KO* als absoluter Wert oder in Winkelgraden an die Umwandlungseinheit 8 der numerischen Steuerung 3 abgegeben, so sieht das Ergebnis der nachfolgenden Bestimmung beispielsweise wie in Fig. 4 dargestellt aus.

Bei dieser Messung zur Bestimmung der Phasenabweichung zwischen dem sinusförmigen Verlauf der inversen Spannung U_inv und dem sinusförmigen Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels sinα zeigt sich, dass der steuerungsinterne Kommutierungswinkels sinα der Sinuskurve der inversen Spannung U_inv, um Δt* vorauseilt, d. h. der für diese Messung gewählte Kommutierungsoffset KO wurde zu groß gewählt.

In einem nachfolgenden Iterationsschritt wird ein entsprechend verminderter Kommutierungsoffset KO* vorgegeben und damit das in Fig. 5 dargestellte Ergebnis erzielt.

Fig. 5 zeigt, dass die Zeitpunkte t₀[U_inv] und t₀[sinα] der Nulldurchgänge der Sinuskurve des dem Positionssignal S_POS entsprechenden steuerungsinternen Kommutierungswinkels sinα und der Sinuskurve der die tatsächliche Läuferposition wiedergebenden inversen Spannung U_inv deckungsgleich sind, wobei lediglich die Amplituden beider Sinuskurven voneinander abweichen, was jedoch für die Bestimmung des Kommutierungsoffset bedeutungslos ist.

Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Kommutierungsoffset unter Einbeziehung des Steuerungsoszilloskops kann auch automatisch durch die numerische Steuerung 3 vorgenommen werden, indem die in Fig. 2 dargestellten Verfahrensschritte beispielsweise in einer Auswerteinrichtung 10 gemäß Fig. 1 mit Hilfe eines Mikroprozessors verifiziert werden, wobei der Auswerteinrichtung 10 der dem gemessenen Positionssignal S_POS entsprechende steuerungsinterne Kommutierungswinkel sinα und die die tatsächliche Läuferposition wiedergebende inverse Spannung U_inv zugeführt werden und diese einen Kommutierungsoffset KO bzw. bei iterativer Bestimmung des Kommutierungsoffset einen neuen Wert KO* an die Umwandlungseinheit 8 abgibt.

Dies gilt auch bezüglich der für das Verfahren zur Bestimmung des Kommutierungsoffset erforderlichen Verschiebung des Läufers 12 des synchronen Linearmotors 1 beispielsweise mit Hilfe eines am Läufer 12 anzubringenden Stellgliedes, das den Läufer 12 mit konstanter, vorgegebener Geschwindigkeit über eine ebenfalls vorgegebene Wegstrecke mindestens einmal bewegt, bei Anwendung eines iterativen Messverfahrens aber auch mehrere Verschiebungen des Läufers 12 vornimmt.

Alternativ kann das erfindungsgemässe Verfahren zur Bestimmung des Kommutierungsoffset auch durch eine diskrete Schaltung der numerischen Steuerung 3 ausgeführt werden, indem beispielsweise an einen Komparator Triggersignale angelegt werden, die die Nulldurchgänge t₀[U_inv] und t₀[sinα] der beiden zu vergleichenden Signale repräsentieren, und das am Ausgang des Komparators anstehende Differenzsignal einem nachfolgenden erneuten Abgleich zugrunde gelegt wird.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen eines Kommutierungsoffset aus der Abweichung der tatsächlichen Position des Läufers einer Synchronmaschine von einem steuerungsinternen Kommutierungswinkel, der aus einem Positionssignal abgeleitet wird, das von einer die Läuferposition erfassenden Positionsmeßeinrichtung abgegeben wird, die mit dem Läufer und dem Ständer der Synchronmaschine und mit einer numerischen Steuerung verbunden ist, die über ein Leistungsteil die Synchronmaschine ansteuert und einen Stromregler enthält, dessen Eingang mit der Differenz eines Strom-Sollwertes und eines am Ausgang des Leistungsteils erfassten Strom-Istwertes beaufschlagt ist, und dessen Ausgang eine Regler- Ausgangsspannung an das Leistungsteil abgibt, dadurch gekennzeichnet,
dass der Strom-Sollwert (I_soll) auf Null gesetzt wird,
dass der Läufer (12) und/oder der Ständer (11) der Synchronmaschine (1) relativ zueinander bewegt werden,
dass der Verlauf der von der Regeleinrichtung (5) an das Leistungsteil (9) abgegebenen Regler-Ausgangsspannung (U_inv) erfasst und mit dem Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sin α) verglichen wird
und dass aus dem Vergleich des Verlaufs der von der Regeleinrichtung (5) an das Leistungsteil (9) abgegebenen Regler-Ausgangsspannung (U_inv) mit dem Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sin α) der Kommutierungsoffset (KO) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regler- Ausgangsspannung (U_inv) und der steuerungsinterne Kommutierungswinkel (sinα) an ein Steuerungsoszilloskop (4) der numerischen Steuerung (3) abgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage der Regler-Ausgangsspannung (U_inv) mit der Phasenlage des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sinα) verglichen, der sich aus der Phasenabweichung (Δφ) zwischen der Phasenlage der Regler-Ausgangsspannung (U_inv) und der Phasenlage des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sinα) ergebende Kommutierungsoffset (KO) bestimmt und als korrigierter Kommutierungsoffset (KO*) der numerischen Steuerung (3) eingegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenabweichung (Δφ)aus der zeitlichen Differenz der Nulldurchgänge (t₀[U_inv]) der Regler- Ausgangsspannung (U_inv) und der Nulldurchgänge (t₀[sinα]) des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sinα), dem Quotienten aus der zeitlichen Differenz und der Periodendauer (T_P) sowie dem Produkt aus diesem Quotienten und 360 Winkelgraden ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des korrigierten Kommutierungsoffset (KO*) iterativ wiederholt wird bis die Sinuskurven der Regler-Ausgangsspannung (U_inv) und des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sinα) miteinander in Phase sind oder bis die Phasenabweichung (Δφ) zwischen der Regler-Ausgangsspannung (U_inv) und dem steuerungsinternen Kommutierungswinkel (sinα) kleiner als ein vorgegebener Grenzwinkel (φ_max) ist.

6. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteinrichtung (10) der numerischen Steuerung (3) charakteristische Werte des Verlaufs der Regler-Ausgangsspannung (U_inv) und des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sinα), insbesondere die Nulldurchgänge (t₀[U_inv]) der Regler-Ausgangsspannung (U_inv) und die in derselben Richtung verlaufenden Nulldurchgänge (t₀[sinα]) des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sinα), erfasst und aus der zeitlichen Abweichung (Δt) oder aus der Winkelabweichung der charakteristischen Werte den Kommutierungsoffset (KO) bestimmt.

7. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (12) der Synchronmaschine (1) mit einer konstanten, einen vorgegebenen minimalen Wert überschreitenden Geschwindigkeit bewegt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Steuerung (3) nach der Initiierung einer Bestimmung des Kommutierungsoffset (KO) ein erstes optisches und/oder akustisches Signal zur Einleitung einer Bewegung der Synchronmaschine (1) sowie ein Bestätigungssignal bei ausreichender und hinreichend konstanter Bewegung der Synchronmaschine (1) bzw. ein Fehlersignal bei nicht ausreichender und/oder hinreichend konstanter Bewegung der Synchronmaschine (1) abgibt.

9. Vorrichtung zum Bestimmen eines Kommutierungsoffset aus der Abweichung der tatsächlichen Position des Läufers einer Synchronmaschine von einem steuerungsinternen Kommutierungswinkel, der aus einem Positionssignal abgeleitet wird, das von einer die Läuferposition erfassenden Positionsmeßeinrichtung abgegeben wird, die mit dem Läufer und dem Ständer der Synchronmaschine und mit einer numerischen Steuerung verbunden ist, die über ein Leistungsteil die Synchronmaschine ansteuert und einen Stromregler enthält, dessen Eingang mit der Differenz eines Strom-Sollwertes und eines am Ausgang des Leistungsteils erfassten Strom-Istwertes beaufschlagt ist, und dessen Ausgang eine Regler- Ausgangsspannung an das Leistungsteil abgibt" gekennzeichnet durch Mittel zum Verschieben des Läufers (12) der Synchronmaschine (1), Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers (12) induzierten Spannung und eine Vergleichseinrichtung (4, 10), an deren Eingänge das Ausgangssignal (U_inv) der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers (12) induzierten Spannung und der steuerungsinterne Kommutierungswinkel (sinα) angelegt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers (12) induzierten Spannung aus dem Strom-Sollwertgeber (6) des Stromreglers (5) der numerischen Steuerung (3) bestehen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung aus einem Steuerungsoszilloskop (4) der numerischen Steuerung (3) besteht, dessen erster Eingang mit der Ausgangsspannung (U_inv) der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung und dessen zweiter Eingang mit dem steuerungsinternen Kommutierungswinkel (sinα) beaufschlagt ist und das den Verlauf der Ausgangsspannung (U_inv) der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung und des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sinα) anzeigt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung aus einer Auswerteinrichtung (10) besteht, deren erster Eingang mit der Ausgangsspannung (U_inv) der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung und deren zweiter Eingang mit dem steuerungsinternen Kommutierungswinkel (sinα) beaufschlagt ist und deren Ausgang einen aus dem Vergleich der Ausgangsspannung (U_inv) der Mittel zum Kompensieren der durch die Bewegung des Läufers induzierten Spannung mit dem steuerungsinternen Kommutierungswinkel (sinα) berechneten Kommutierungsoffset (KO bzw. KO*) abgibt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Auswerteinrichtung (10) mit einem Korrektureingang einer den steuerungsinternen Kommutierungswinkel (sinα) aus den von der Positionsmesseinrichtung (2) abgegebenen Positionssignalen (S_POS) bestimmenden Umwandlungseinheit (8) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (10) einen Zähler aufweist, der durch ein aus einem charakteristischen Wert, insbesondere einem Nulldurchgang (t₀[U_inv]), der Sinuskurve der Regler-Ausgangsspannung (U_inv) gebildetes erstes Triggersignal gesetzt und ein aus einem charakteristischen Wert, insbesondere einem Nulldurchgang (t₀[sinα]), des steuerungsinternen Kommutierungswinkels (sinα) gebildetes zweites Triggersignal zurückgesetzt wird und dessen Ausgang Zählimpulse zwischen dem Setzen und Rücksetzen an ein Korrekturglied der numerischen Steuerung (3) abgibt.