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Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung
eines Durchgehens eines drehzahlgeregelten, permanenterregten Synchronmotors
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung eines
Durchgehens eines drehzahlgeregelten, permanenterregten Synchronmotors
und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Im Handel sind drehzahlgeregelte,
permanenterregte Synchronmotoren erhältlich, bei denen Verfahren
eingesetzt werden, mit denen man die richtige Pollage des permanenterregten
Polläufers
für die
Kommutierung des Synchronmotors erkennen kann. Alle diese eingesetzten
Verfahren arbeiten weitgehend zuverlässig und genau. Dennoch kommt es
immer wieder vereinzelt zu Fehlkommutierungen, die auch dazu führen, dass
der drehzahlgeregelte, permanenterregte Synchronmotor durchgeht.
Sehr oft bewirken solche durchgehende Synchronmotoren die Beschädigung oder
gar die Zerstörung
der Produktions- bzw. Werkzeugmaschine in der dieser Synchronmotor
installiert ist.
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Eine solche Fehlkommutierung, auch
wenn diese sehr selten auftritt, muss wegen der Folgeschäden unter
allen Umständen
verhindert werden. Die Gründe
für eine
Fehlkommutierung sind sehr vielfältig
und hängen
oft von Bauteilen ab, die für
einen Antrieb zugeliefert werden. Dadurch kann man nicht mit einer
genauen Fehleranalyse der bisher auftretenden Fehlerursachen weiterkommen.
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Bisher wird der Drehzahlregler des
drehzahlgeregelten, permanenterregten Synchronmotors darauf überwacht,
ob der Drehzahlregler am Anschlag ist. Wenn der Drehzahlregler für eine vorbestimmte Zeitspanne
eine maximale bzw. minimale Stellgröße am Ausgang ausgibt, wird
angenommen, dass ein Fehlerfall vorliegt. Die vorbestimmte Zeit
ist werkseitig beispielsweise auf etwa 100 ms eingestellt, kann jedoch
vom An wender vergrößert werden.
Weswegen der Drehzahlregler am Anschlag ist, kann aus dem Fehlersignal
nicht erkannt werden. Die Gründe dafür, dass
der Drehzahlregler am Anschlag ist, sind vielfältig. Nur einer davon ist die
Fehlkommutierung, die zum Durchgehen des drehzahlgeregelten, permanenterregten
Synchronmotors führt.
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Eine Fehlkommutierung kann je nach
Trägheitsmoment
einer angeschlossenen Last bereits nach Ablauf der vorbestimmten
Zeitspanne diese Last auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt
haben. Bei Fehlermeldung wird ein an dem permanenterregten Synchronmotor
angeschlossener Stromrichter durch eine übliche Impulssperre abgeschaltet. In
Abhängigkeit
der vorhandenen Reibung trudelt dann die Last aus. Wenn die Last
in der vorbestimmten Zeitspanne bereits auf eine hohe Geschwindigkeit
beschleunigt worden ist, kann ein Crash durch eine Impulssperre
nicht mehr verhindert werden. Aus diesem Grund weisen Produktions-
bzw. Werkzeugmaschinen zu ihrem Schutz einen Puffer als Anschlag
auf, der eine austrudelnde Last abfängt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung eines Durchgehens eines drehzahlgeregelten
permanenterregten Synchronmotors anzugeben, das außerdem noch schnell
sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils
mit einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis
5 gelöst.
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Allen erfindungsgemäßen Verfahren
ist gemeinsam, dass ab dem Zeitpunkt der Aktivierung des Drehzahlreglers,
dem Lösen
einer eventuell vorhandenen Feststellbremse und das Vorhandensein
eines vorbestimmten konstanten Drehzahlsollwertes überprüft wird,
ob eine Bedingung eine vorbestimmte Zeit lang erfüllt ist.
Ist die Bedingung nur kurzzeitig, jedenfalls nicht andauernd so
lang wie die vorbestimmte Zeit erfüllt, so wird angenommen, dass
ein Durchgehen des Motors nicht vorliegt.
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Ist die Bedingung mindestens und
andauernd so lange wie die vorbestimmte Zeitspanne erfüllt, so
ergeht eine Fehlermeldung, dass der drehzahlgeregelte permanenterregte
Synchronmotor durchgeht. Mit dieser Meldung wird der aktivierte Drehzahlregler
deaktiviert. Für
diese Überprüfung wird
ein Bruchteil der Zeitspanne benötigt,
die bisher werkseitig bei Stromrichter für die Überwachung "Drehzahlregler am Anschlag" eingestellt ist.
Welches Signal des Drehzahlreglers wertmäßig überprüft wird, hängt ausschließlich davon
ab, welche Signale bereits zur Verfügung stehen und welche Signale
aus diesen gebildet werden können.
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Bei einem vorteilhaften Verfahren
nach der Erfindung sind die Überprüfungen wenigstens
zweier Bedingungen nach den Ansprüchen 1 bis 5 miteinander UND-verknüpft, wobei
der aktive Drehzahlregler erst dann deaktiviert wird, wenn die UND-verknüpfte Überprüfung eine
vorbestimmte Zeitspanne lang zutrifft. Durch diese UND-Verknüpfung mehrerer
erfindungsgemäßer Überprüfungen erhöht sich
die Zuverlässigkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei einem weitren vorteilhaften Verfahren der
Erfindung wird die Bedingung zum Durchgehen auch dann als erfüllt angesehen,
wenn die Bedingung aktuell zwar nicht erfüllt ist, jedoch in den letzten Überprüfungen erfüllt war
(Entprellen bzw. Filtern), weil die Überprüfung sehr oft stattfindet.
So wird der aktivierte Drehzahlregler auch dann deaktiviert, wenn
die Durchgeh-Bedingung kurzzeitig nicht erfüllt war. Durch diese mehrmalige
Ausführungen
eines bzw. mehrerer UND-verknüpfter
Bedingungen wird ein Durchgehen sicherer erkannt, da ansonsten irgendeine
Störung
nicht mehr zum Deaktivieren des Drehzahlreglers führen würde. Dadurch
erhöht
sich die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf
die Zeichnungen Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Verfahren
schematisch veranschaulicht ist.
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1 zeigt
eine Regelstruktur einer bekannten Regelung eines permanenterregten
Synchronmotors und die
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2 zeigt
eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 sind
mit 2 ein permanenterregter Synchronmotor, mit 4 ein
Rotorlagegeber, mit 6 eine vorhandene Feststellbremse,
mit 8 ein Umrichter, insbesondere ein Spannungszwischenkreis-Umrichter,
und mit 10 eine bekannte feldorientierte Regelung gekennzeichnet.
Dieser permanenterregte Synchronmotor 2 wird ständerseitig
vom Umrichter 8 gespeist. Die bekannte feldorientierte
Regelung 10 weist einen Drehzahlregelkreis 12,
zwei Stromregelkreise 14 und 16 und zwei Transformationseinrichtungen 18 und 20 auf.
Außerdem
sind in dieser Regelung 10 ein Differenzierglied 22 und
eine Umrecheneinrichtung 24 angeordnet.
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Der Drehzahlregelkreis 12 weist
einen Drehzahlregler 26, einen Vergleicher 28 und
einen Begrenzer 30 auf. Am nicht invertierenden Einging
des Vergleichers 28 steht ein vorbestimmter Drehzahl-Sollwert
n* an, wogegen am invertierenden Eingang
ein ermittelter Drehzahl-Istwert n ansteht. Dieser Drehzahl-Istwert
n wird mittels des Differenziergliedes 22 aus dem Rotorlagegeber 4 generierten
Lagesignal R erzeugt. Ausgangsseitig ist dieser Vergleicher 28 mit
einem Eingang des Drehzahlreglers 26 verbunden, an dessen
Ausgang der Begrenzer 30 geschaltet ist. Am Ausgang dieses
Begrenzers 30 steht das Sollsignal i*
q des unterlagerten Stromregelkreises 14 an.
Dieser Stromregelkreis 14 weist einen Stromregler 32,
dem ein Vergleicher 34 vorgeschaltet ist, auf. Der zweite
Stromregelkreis 16 weist ebenfalls einen Stromregler 36 auf,
dem ein Vergleicher 38 vorgeschaltet ist. Die Ausgänge dieser
beiden Stromregelkreise 14 und 16 sind mit einer
ausgangsseitigen Transformationseinrichtung 20 verknüpft, mit
der aus den beiden orthogonalen feldorientierten Spannungs-Stellgrößen U*
q und U*
d drei ständerorientierte Spannungs-Stellgrößen U*
r, U*
s und U*
t generiert
werden, die die Spannungs- Sollwerte
des permanenterregten Synchronmotors 2 darstellen. Die
eingangsseitige Transformationseinrichtung 18 generiert
aus zwei gemessenen Ständerströmen ir und is des permanenterregten
Synchronmotors 2 zwei orthogonale feldorientierte Stromkomponenten
iq und id eines Ständerstrom-Raumzeigers
des Synchronmotors 2. Diese Stromkomponenten iq und
id werden jeweils einem invertierenden Eingang
eines Vergleichers 34 und 38 der beiden Stromregelkreise 14 und 16 zugeführt, wobei
die Stromkomponente iq, die auch als drehmomentbildende
Stromkomponente bezeichnet wird, dem invertierenden Eingang des
Vergleichers 34 des dem Drehzahlregelkreises 12 unterlagerten Stromregelkreises 14 zugeführt wird.
Am nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 38 steht
ein Sollwert der Stromkomponenten id, auch
als flussbildende Stromkomponente bezeichnet, an, die den Wert Null
hat. Für
die beiden Transformationseinrichtungen 18 und 20 wird
jeweils der Rotorlagewinkel φ benötigt, der
mittels der Umrecheneinrichtung 24 aus dem Rotorlagesignal
R des Rotorlagegebers 4 generiert wird.
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In der 2 ist
aus Übersichtlichkeitsgründen nur
der Drehzahlregelkreis 12 der Regelanordnung 10 nach 1 näher dargestellt. Diesem Drehzahlregelkreis 12 ist
eine Recheneinrichtung 40 und ein Steuermittel 42 zugeordnet.
Das Steuermittel 42 ist eingangsseitig mit dem Ausgang
der Recheneinrichtung 40 und ausgangsseitig mit einem Aktivierungseingang 44 des
Drehzahlreglers 26 verknüpft. Diese Recheneinrichtung 40 und
das Steuermittel 42 können
eine Baueinheit, insbesondere einen Signalprozessor, bilden. Dies
ist mittels der Strich-Punkt-Linie angedeutet. Diese Recheneinrichtung 40 ist
eingangsseitig mit den Ausgang des Drehzahlreglers 26 und
mit dem Ausgang des Begrenzers 30 verknüpft. Weiterhin stehen der Drehzahl-Sollwert
n* und der Drehzahl-Istwert n an. Außerdem sind
dieser Recheneinrichtung 40 noch zwei Freigabe-Signale SDRA und SFBD zugeführt. Von
den Eingangssignalen n, ny und i*
q müssen nicht
alle verwendet werden.
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Gemäß der Erfindung muss nur ein
einziges Eingangssignal vorhanden sein. Diese genannten Eingangssignale
können
auch in jeder beliebigen Untermenge miteinander kombiniert werden.
Allen erfindungsgemäßen Verfahren
gemeinsam sind die beiden Freigabesignale SDRA und
SFBD und der Drehzahl-Sollwert n*, der auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere
auf Null, eingestellt ist. Das Freigabe-Signal SDRA signalisiert,
dass der Drehzahlregler 26 aktiv ist, wogegen das Freigabe-Signal
SFBD signalisiert, dass eine vorhandene
Feststellbremse 6 des permanenterregten Synchronmotors 2 deaktiviert
ist. Am Ausgang der Recheneinrichtung 40 steht ein Fehlersignal
SF an, das das Steuermittel 22 aktiviert. Das
aktivierte Steuermittel 42 deaktiviert mittels des Steuersignals
SDRA den Drehzahlregler 26, so
dass der Umrichter 8 mittels einer Impulssperre von dem Synchronmotor 2 abgeschaltet
wird.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Ermittlung eines Durchgehens eines drehzahlgeregelten permanenterregten
Synchronmotors 2 mit einer Feststellbremse 6 wird
anhand der 2 näher erläutert:
Kennzeichnend
für einen
durchgehenden Antrieb, bestehend aus dem permanenterregten Synchronmotor 2 und
dem speisenden Umrichter 8, ist, dass die Kreisverstärkung des
Drehzahlregelkreises 12 negativ wird. Das heißt, dass
der Drehzahlregler 26 eine Regelabweichung ne durch
eine Stellgröße ny verkleinern will, jedoch wegen der negativen
Kreisverstärkung
diesen vergrößert. Je
größer diese
Stellgröße ny wird, umso schneller wird die Regelabweichung
ne weiter vergrößert.
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Nimmt man an, dass der Drehzahlregelkreis 12 keine
Störungen
kennt, dann wird sich der Drehzahl-Istwert n trotz Eingreifen des
Drehzahlreglers 26 stetig immer weiter von dem Drehzahl-Sollwert n* wegbewegen. Das lässt sich wie folgt beschreiben:
- 1) Bei konstanten Drehzahl-Sollwert n* wird die Regelabweichung ne immer
größer, d.
h., die erste zeitliche Ableitung der Regelabweichung ne wechselt
nicht das Vorzeichen,
- 2) dabei wächst
die Beschleunigung (erste Ableitung des Drehzahl-Istwertes n) kontinuierlich
bzw.
- 3) der Beschleunigungswert ist gleich einem vorbestimmten Grenzwert
(Maximal bzw. Minimalwert),
- 4) außerdem
wächst
die Stellgröße ny am Ausgang des Drehzahlreglers 26 an
oder
- 5) hat bereits einen vorbestimmten Grenzwert (Maximal- bzw.
Minimalwert) erreicht.
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Diese zeitlichen Veränderungen
der angegebenen Signale des Drehzahlregelkreises 12 treten nur
in der angegebenen Form auf, wenn der Drehzahl-Sollwert n* während
einer vorbestimmten Zeitspanne, in der die Überprüfung bzw. Überprüfungen ablaufen, konstant,
insbesondere Null, ist. Diese Überprüfung bzw. Überprüfungen werden
erst dann durchgeführt,
wenn der Drehzahlregler 26 aktiviert ist, d. h., der Drehzahlregler 26 ist
im Eingriff, und die Feststellbremse 6 des permanenterregten
Synchronmotors 2 ist nicht aktiv. Ob nun nur ein Signal
des Drehzahlregelkreises 12 oder eine Kombination einer Untermenge
dieser Signale oder alle Signale überprüft werden, ändert nichts am Ergebnis "Motor dreht durch", sondern sorgt nur
für eine
Verbesserung der Zuverlässigkeit
des Verfahrens nach der Erfindung. Die Regelabweichung ne des Drehzahlregelkreises 12 braucht
nicht gemessen werden, sondern wird in Abhängigkeit des vorbestimmten
Drehzahl-Sollwertes n* und des ermittelten
Drehzahl-Istwertes n in der Recheneinrichtung 40 berechnet.
Anstelle der Stellgröße ny des Drehzahlregelkreises 12 kann
auch der generierte Sollwert i*
q für den unterlagerten
Stromregelkreis 14 verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch gestartet,
dass die Freigabe-Signale SDRA und SFBD signalisieren, dass der Drehzahlregler 26 aktiv und
eine vorhandene Feststellbremse 6 deaktiviert sind. Außerdem wird
angezeigt, dass der Drehzahl- Sollwert
n* konstant, insbesondere Null, ist. Ferner
wird eine bzw. alle UND-verknüpften
Bedingung zum ersten Mal erfüllt.
Mit den Freigabe-Signalen SDRA und SFBD und der Erfüllung aller UND-verknüpfter Bedingung
wird eine vorbestimmte Zeitspanne gestartet. Mit dem Start dieser
Zeitspanne wird die Erfüllung
aller UND-verknüpfter
Bedingung überwacht.
Sobald eine Bedingung nicht mehr erfüllt wird, wird die Überwachung
abgebrochen, d.h. die aktivierte Zeitspanne wird deaktiviert. Wenn
während
der gesamten Zeitspanne alle UND-verknüpften Bedingungen erfüllt waren,
so wird ein Fehlersignal SF generiert, das
signalisiert, dass der Antrieb durchgeht. In Abhängigkeit dieses Fehlersignals
SF wird der Drehzahlregler 26 deaktiviert,
was zu einer Sperrung des Umrichters 8 mittels eines Impulssperrsignals
führt. Außerdem wird
der Fehlergrund "Motor
dreht durch" angegeben.
Aufgrund der Impulssperre und der Reibung trudelt eine drehende
Last so rechtzeitig aus, dass diese rechtzeitig vor Anschläge der Maschine zum
Stillstand kommt. Da für
die Überprüfung einer oder
mehrerer Bedingungen nur eine Zeitspanne von wenigen Abtastschritten
benötigt
wird, kann im Ansatz eines durchgehenden Antriebs bereits dieser durch
Abschaltung abgefangen werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird somit nicht die Ursache, nämlich
ein Kommutierungsfehler, ermittelt, sondern gleich die Auswirkung (Durchgehen
des Antriebs aufgrund eines auftretenden Kommutierungsfehlers) ermittelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ist so schnell, dass die Überprüfung einer
bzw. mehrerer UND-verknüpfter Bedingungen
in der vorbestimmten Zeitspanne mehrmals ausgeführt werden kann. Dadurch werden Störeinflüsse eliminiert,
da Störungen
nie zeitsynchron auftreten. Wenn eine bzw. mehrerer UND-verknüpfter Bedingungen
mehrmals erfüllt
wird bzw. werden, so werden die Ergebnisse jeder Überprüfung zwischengespeichert,
damit diese miteinander verglichen werden können. Dadurch kann ein Ergebnis,
das auf eine Störung
beruht, erkannt werden, so dass eine Störung, nicht zum Nichterkennen
eines tatsächlich
durchge henden Antriebs führt.
Somit wird die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich erhöht.