DE19601359A1

DE19601359A1 - Verfahren zum Steuern eines Gleichstromantriebs

Info

Publication number: DE19601359A1
Application number: DE19601359A
Authority: DE
Inventors: Viktor Grinewitschus; Dirk Raffel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 1997-07-17
Also published as: HUP9903719A3; NO312649B1; HUP9903719A2; US6005361A; EP0857368A1; PL328000A1; ATE176557T1; NO983272D0; WO1997026694A1; NO983272L; AU700051B2; AU1306797A; DE59601282D1; EP0857368B1; PL182144B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Gleichstromantriebs, insbesondere eines Gleichstrom torantriebs.

An die Steuerung von Gleichstromantrieben, die beispielswei se zum Öffnen bzw. Schließen von Türen, Garagentoren, elek trischen Schiebedächern und dergleichen eingesetzt werden, werden hohe Sicherheitsanforderungen gestellt. Diese Sicher heitsanforderungen schließen das Erkennen von Gefahrensitua tionen ein. Befindet sich z. B. im Fahrweg bzw. Laufweg des zu betätigenden Elements, wie z. B. einem Garagentor, ein Hindernis, so muß umgehend eine Abschaltung oder ein Rever sieren des Tores eingeleitet werden. Zur Vermeidung von Be schädigungen und Verletzungen dürfen die dabei an der Tor kante auftretenden äußeren Kräfte bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Solche Grenzwerte sind vom Gesetzgeber vorge schrieben. Darüber hinaus ist man bemüht, durch spezielle Verfahren die real auftretenden Kräfte so niedrig wie mög lich zu halten.

Bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Steue rung von Gleichstromantrieben wird der an dem Gleichstrom antrieb anliegende Motorstrom mit einem absoluten Grenzwert oder mit erfaßten Referenzwerten verglichen.

Bei einem ersten bekannten Verfahren zur Steuerung eines Gleichstromantriebs wird der Notorstrom mit einem absolut vorgegebenen konstanten Grenzwert verglichen. Sobald der aktuelle Motorstrom einen voreingestellten Absolutwert über steigt, wird der Gleichstromantrieb abgeschaltet. Der Nach teil dieses ersten bekannten Verfahrens besteht darin, daß die maximale Antriebsleistung stark eingeschränkt ist. Ein weiteres Problem dieses bekannten Verfahrens stellt sich dann, wenn der Kraftbedarf eines Tores stark von der Torpo sition abhängig ist. In diesem Fall existieren Positionen, an denen die Kraft an der Torkante die zulässigen Werte überschreiten kann, ohne daß der Gleichstromantrieb abge schaltet wird.

Um die oben beschriebenen Probleme zu vermeiden, wurde ein zweites im Stand der Technik bekanntes Verfahren entwickelt, das aus der DE 42 14 998 A1 bekannt ist, bei dem der am Gleichstromantrieb anliegende Motorstrom mit einem durch eine Lernfahrt in Abhängigkeit von der Torposition ermittel ten Strom verglichen wird. Bei diesem auf Referenzmessungen basierenden Verfahren wird der erforderliche Motorstrom oder die Sollgeschwindigkeit für verschiedene Positionen bei einer ungestörten Fahrt des Tores gemessen und als Referenz wert gespeichert. Unzulässige Abweichungen von den gespei cherten Referenzwerten führen bei nachfolgenden Fahrten dann zu einer Abschaltung. Ein Problem dieses bekannten Verfah rens besteht jedoch darin, daß in dem Fall, in dem ein Tor zwischen den Endpunkten einer Fahrt (dem Punkt an dem das Tor geschlossen ist bzw. dem Punkt an dem das Tor offen ist), gestoppt wird und anschließend wieder gestartet wird, beim erneuten Startens ein hoher Anlaufstrom auftritt. Für diesen hohen Anlaufstrom an einer Position zwischen den bei den Endpunkten sind keine Referenzwerte vorhanden. Um in diesem Fall das Abschalten oder Reversieren des Tores zu vermeiden, müssen bei diesem Verfahren in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall erhöhte Grenzwerte für einen zu lässigen Betrieb des Tores vorgesehen werden. Eine andere Möglichkeit, das Überschreiten der Grenzwerte zu vermeiden besteht darin, die Überwachung während der Zeit des Anlau fens außer Kraft zu setzen.

Die oben angesprochene Problematik beim Wiederanfahren eines Tores nach einem Stop in einer Position zwischen den beiden Endpositionen wird anhand des in Fig. 5 dargestellten Graphs verdeutlicht. Wie Fig. 5 zu entnehmen ist, ist dort der er forderliche Motorstrom über die Position eines Tores aufge zeichnet. Genauer gesagt ist der erforderliche Motorstrom über dem Bereich, zwischen dem das Tor geöffnet und das Tor geschlossen ist, aufgezeichnet. Der Verlauf a) stellt den Motorstromverlauf bei einer sogenannten Normalfahrt dar. Für diese Normalfahrt wurden während der Lernfahrt Referenzwerte ermittelt, auf die ein vorbestimmter Toleranzwert aufge schlagen wurde, wodurch sich der Grenzwertverlauf b) ergibt wie er in Fig. 5 dargestellt ist. Der Verlauf c) zeigt nun die Problematik, die auftritt, wenn ein Tor an einer belie bigen Position zwischen den beiden Endpositionen angehalten wurde und daraufhin erneut angefahren werden soll. In diesem Fall steigt der erforderliche Motorstrom stark an, so daß der den Grenzwertverlauf b) deutlich überschreiten würde. Um dieses Problem zu vermeiden, muß der Grenzwertverlauf so ge wählt sein, daß auch bei einem Anfahren nach einem Anhalten zwischen den Endpositionen ein Abschalten des Gleichstroman triebs durch den hohen Motorstrom beim Wiederanfahren sicher vermieden werden kann. Dies führt jedoch zu dem Problem, daß sehr hohe Grenzwertverläufe b) ausgewählt werden müssen, was in dem Fall, daß während eines Torlaufs ein Hindernis ange troffen wird, eine Abschaltung oder ein Reversieren des Tores erst nach einer relativ langen Zeit eingeleitet wird. Dies kann in einem Fall zu einer Beschädigung des Gleich stromantriebs aufgrund einer Überlastung führen. In einem anderen, wesentlich kritischeren Fall, in dem ein Mensch das oben erwähnte Hindernis darstellt, kann die durch die er höhten Grenzwerte erst verspätet bewirkte Abschaltung zu er heblichen Verletzungen des menschlichen Körpers führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum An steuern eines Gleichstromantriebs zu schaffen, das eine zu verlässige Detektion von Störungen bei niedrigen Grenzwerten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Steuern eines Gleichstromantriebs, insbesondere eines Gleichstrom torantriebs, mit folgenden Schritten:

a) Erfassen von zwei Zustandsgrößen des Gleichstroman triebs;
b) Bestimmen eines an den Gleichstromantrieb anliegenden Last- oder Widerstandsmoments;
c) Vergleichen des bestimmten Last- oder Widerstandsmoments mit einem vorbestimmten Last- oder Widerstandsmoment; und
d) Feststellen einer abnormen Situation, wenn das bestimmte Last- oder Widerstandsmoment das vorbestimmte Last- oder Widerstandsmoment überschreitet.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine zuverlässige Erfassung von Störungen bereits bei we sentlich niedrigeren Grenzwerten ermöglicht wird, da das er findungsgemäße Verfahren auch zuverlässig in den Fällen funktioniert, bei denen bei den bekannten Verfahren die oben angeführten Probleme auftreten.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß anhand eines analy tischen, dynamischen Modells eines Antriebssystems aus den am Gleichstromantrieb erfaßbaren Kenngrößen, wie z. B. dem Motorstrom, der Position, das auf den Antrieb wirkende Last- oder Widerstandsmoment exakt berechnet werden kann. Dies er möglicht es, auftretende Trägheits- sowie Reibungseffekte zu berücksichtigen und zu kompensieren, wodurch die erforder liche Schwelle für die Erkennung einer abnormen Situation oder Gefahrensituation, wie beispielsweise eine Blockierung des Fahrtweges eines Tores, deutlich gesenkt werden kann.

Gemäß einem weiteren Vorteil der vorliegenden Erfindung ver wendet das erfindungsgemäße Verfahren den Motorstrom ledig lich als Hilfsgröße, zu der weitere physikalische Aspekte rechnerisch berücksichtigt werden, wie z. B. eine Position eines Tores, sowie die Geschwindigkeit und die Beschleuni gung eines Tores. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Lage, den Anlaufstrom nach einem Stop des Tores an einer Mittelposition entsprechend zu berücksichtigen, was zu einer größeren Betriebssicherheit bei kleiner eingestell ten Grenzlastwerten führt.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen be vorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines Gleichstromantriebs;

Fig. 2 einen Graph, der den Motorstromverlauf, den Dreh zahlverlauf und den Last- oder Widerstandsmomentver lauf über der Zeit bei einem Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit darstellt;

Fig. 3 einen Graph, der den Motorstromverlauf, den Dreh zahlverlauf und den Last- oder Widerstandsmomentver lauf bei einem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit über der Zeit darstellt;

Fig. 4 einen Graph, der die Messung des Motorstroms, der Motordrehzahl und des Last- oder Widerstandsmoments bei Messungen an einem Garagentorantrieb mit einer sprunghaften Erhöhung des Last- oder Widerstandsmo ments darstellt;

Fig. 5 den Motorstromverlauf bei einer Normalfahrt und beim Wiederanfahren nach einem Halten zwischen den Endpo sitionen gemäß einem Verfahren aus dem Stand der Technik.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß anhand eines analytischen, dynamischen Modells eines Antriebssy stems aus den am Gleichstromantrieb erfaßbaren Kenngrößen das auf den Antrieb wirkende Last- oder Widerstandsmoment exakt berechnet wird. Dies ermöglicht es, auftretende Träg heits- und Reibungseffekte zu berücksichtigen und zu kompen sieren, wodurch die erforderliche Schwelle für die Erkennung einer Gefahrensituation durch eine Blockierung des Fahr weges, wie sie beispielsweise bei einem Garagentorantrieb auftritt, deutlich gesenkt werden kann.

Da die exakten Parameter eines solchen Modells in der Regel nicht bekannt sind, wird im nachfolgenden beschrieben, wie diese aus wenigen Lernfahrten mit hinreichender Genauigkeit ermittelbar sind. Die für die Durchführung des Verfahrens erforderliche Informationsverarbeitung wird in der Regel von den in moderneren Antrieben zur Steuerung eingesetzten Mikrosteuerungen bzw. Mikrocontrollern übernommen.

Da die oben erwähnten Mikrosteuerungen bzw. Mikrocontroller nur eine begrenzte Rechenkapazität aufweisen, wird nachfol gend ebenfalls ein Verfahren dargestellt, das auf eine nie drige erforderliche Rechenleistung optimiert ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem ersten Schritt zwei Zustandsgrößen des Gleichstromantriebs erfaßt und anschließend wird ein an dem Gleichstromantrieb anlie gendes Last- oder Widerstandsmoment bestimmt. Nachfolgend wird das bestimmte Last- oder Widerstandsmoment mit einem vorbestimmten Last- oder Widerstandsmoment verglichen und eine abnorme Situation festgestellt, wenn das bestimmte Last- oder Widerstandsmoment das vorbestimmte Last- oder Widerstandsmoment überschreitet.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert, und es wird dargestellt, wie das an dem Gleich stromantrieb wirkende Last- oder Widerstandsmoment bestimmt wird. Ferner wird dargelegt, wie die zu der Bestimmung des Last- oder Widerstandsmoments erforderlichen Zustandsgrößen und Parameter des Gleichstromantriebs und des durch den Gleichstromantrieb angetriebenen Elements bestimmt werden. Zur Bestimmung des Last- oder Widerstandsmoments das auf den Gleichstromantrieb wirkt, geht die vorliegende Erfindung von der nachfolgend beschriebenen Modellierung eines Antriebssy stems aus. In Fig. 1 ist ein elektromechanisches Ersatz schaltbild eines Gleichstromantriebs dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Elemente des Ankerkreises mit dem Index A versehen sind, wohingegen die Elemente des Erre gerkreises mit dem Index E versehen sind.

Der Ankerkreis weist zwei Anschlußklemmen 1, 1′ auf, zwi schen denen die Ankerspannung U_A anliegt. Die Anschlußklemme 1 ist über den Widerstand R_A und die Induktivität L_A mit einem Anschluß eines Gleichstrommotors DCM verbunden. Der andere Anschluß des Gleichstrommotors ist mit der Klemme 1′ des Ankerkreises verbunden. Im Ankerkreis fließt der Strom I_A.

Der Erregerkreis umfaßt zwei Klemmen 2, 2′, zwischen denen die Erregerspannung U_E anliegt. Der Widerstand R_E stellt den Widerstand der Erregerwicklung dar, und die Induktivität L_E stellt die Induktivität der Erregerwicklung dar. Im Erreger kreis fließt der Strom I_E.

U_I (durch den Pfeil 3 bezeichnet) stellt die drehzahlabhän gige Gegen-EMK des Motors DCM dar.

Der Motor DCM umfaßt eine Ausgangswelle 4, die mit einer Last 5 verbunden ist. In der Regel ist die Last über ein Getriebe mit dem Motor verbunden. Die Ausgangswelle des Mo tors wird im folgenden als Antriebswelle bezeichnet, und die Ausgangswelle des Getriebes wird als Abtriebswelle bezeich net. ω_A bezeichnet hierbei die Drehzahl der Antriebswelle.

M*_L stellt das auf die Antriebswelle umgerechnete Lastmoment dar und θ*_L bezeichnet das auf die Antriebswelle umgerech nete Trägheitsmoment der Last.

Aus dem in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltbild des Gleich stromantriebes können die nachfolgenden Differentialglei chungen für den Erregerkreis und den Ankerkreis ermittelt werden.

Für die induzierte Spannung U_I ergibt sich die nachfolgende Gleichung:

mit:
n_A = Drehzahl der Antriebswelle 4;
Φ = magnetischer Fluß eines einzelnen Pols durch die Spulen;
z = die Anzahl der Ankerleiter
a = Anzahl der Ankerzweige
b = Anzahl der Polpaare.

Die Gleichung (3) kann wie folgt umgeformt werden:

Ferner läßt sich für das innere Drehmoment (Luftspaltmoment) der Gleichstrommaschine die nachfolgende Beziehung angeben:

M_I = k₂ΦI_A (5)

Die Bewegungsdifferentialgleichung lautet in vereinfachter Form:

mit
M_I = inneres Drehmoment (Luftspaltmoment),
M*_W,ges = Widerstandsmoment, bezogen auf die Antriebswelle
θ_A,ges = gesamtes Massenträgheitsmoment, bezogen auf die Antriebswelle.

Unter Einbeziehung des Zusammenhangs aus Gleichung (5) folgt hieraus die nachfolgende Gleichung:

Zusammenfassend ergibt sich der nachfolgende Satz von Diffe rentialgleichungen, die das dynamische Verhalten eines Gleichstromantriebs beschreiben:

Bei Betrachtung des stationären Verhaltens kann der Gleich stromantrieb durch die nachfolgenden Gleichungen beschrieben werden:

Bei einem konstant fremderregten Gleichstrommotor, die bei den meisten Antrieben verwendet werden, führen die nachfol genden Überlegungen zu einer Vereinfachung des oben ausge führten Differentialgleichungssystems:

Bei konstant fremderregten Gleichstrommotoren liegt der Er regerkeis an einer eigenen, unabhängigen Gleichspannungs quelle bzw. erfolgt die Erregung durch einen Permanentmagne ten. Daher kann von einem konstanten magnetischen Fluß θ ausgegangen werden, der durch variable Lastmomente oder elektrische Steuerungsmaßnahmen nicht beeinflußt wird. Somit ergibt sich für die Beschreibung des stationären und dynami schen Verhaltens eines konstant erregten Gleichstrommotors ein lineares, analytisch lösbares System aus den nachfolgen den zwei Differentialgleichungen:

In dem oben angeführten Differentialgleichungssystem stellen die Ankerspannung U_A und das Widerstandsmoment M*_W,ges die mathematischen Störgrößen dar, wobei der Ankerstrom I_A die Winkelgeschwindigkeit ω_A die Zustandsgrößen des Systems sind. Das aktuelle Widerstandsmoment ergibt sich aus der Lö sung dieses Differentialgleichungssystems unter Verwendung der direkt am Motor erfaßbaren Größen U_A, I_A und ω.

Zur Lösung des durch die Gleichungen (14) und (15) bestimm ten Differentialgleichungssystems ist es erforderlich, die notwendigen Parameter des Modells zu bestimmen.

Ein erster Parameter ist die Motorkonstante k₃θ, die eine direkte Kenngröße des Motors ist. Somit kann dieser Para meter direkt bei der Entwicklung des Gleichstromantriebs bestimmt und als lastunabhängige Konstante in der Rechnung verwendet werden. Ausgangspunkt für die Bestimmung der Mo torkonstante ist die nachfolgende Gleichung für das innere Drehmoment einer Gleichstrommaschine:

M_I = k₂ΦI_A (16)

⇒ üM_I = ük₂ΦI_A (17)

mit:

ü = Übersetzungsverhältnis des Getriebes.

Das Bilden der partiellen Ableitung nach dem Ankerstrom er gibt:

Mit der abgeleiteten Beziehung gemäß Gleichung (19) läßt sich somit für eine gegebene Kennlinie I_A = f(M_I) die Motor konstante auf einfache Weise quantitativ bestimmen.

Die Winkelgeschwindigkeit wird mittels einer digitalen Dreh zahlmessung erfaßt. Zur Drehzahlmessung kann beispielsweise ein inkrementaler Geber benutzt werden, der eine festgelegte Anzahl von Impulsen je Umdrehung vorgibt. Die Impulsfrequenz f_I kann auf die nachfolgend dargestellte Art bestimmt wer den:

Das Auftreten eines Impulses im Ausgangssignale des inkre mentalen Gebers löst in der Mikrosteuerung einen Interrupt (Unterbrechung) aus. Bei einer entsprechenden Programmierung der Routine zur Behandlung dieses Interrupts können diese Impulse in einem Zähler aufsummiert werden.

Das Einzählen in den Zähler während der Zeit T_M liefert für die Impulsanzahl z die folgende Gleichung:

mit:

Gemäß der Gleichung (23) stellt _L die mittlere Drehzahl der Abtriebswelle des Motors in dem Intervall [t₀-T_M/2, t₀+T_M/2] dar.

Für den Mittelwert der Winkelgeschwindigkeit folgt aus der Gleichung (22):

Als weiterer Parameter muß das Massenträgheitsmoment des durch den Gleichstromantrieb angetriebenen Elements bestimmt werden. Das Massenträgheitsmoment ist hierbei von dem jewei ligen Anwendungsfall abhängig und muß daher in der Regel durch Lernfahrten des Antriebs ermittelt werden.

Für das gesamte auf die Antriebswelle 4 bezogene Massenträg heitsmoment θ_A,ges gilt:

wobei ü das Übersetzungsverhältnis eines Getriebes ist, und der Index L die auf die Last bezogenen Terme bezeichnet. Die Umrechnung in Bezug auf die Abtriebswelle unter Einbeziehung des bekannten Zusammenhangs

liefert

θ_L,ges = ü² · θ_rotor + θ_L (27)

θ_L,ges bezeichnet das gesamte Massenträgheitsmoment bezüglich der Abtriebswelle. Ist das auf die Abtriebsseite transformierte Trägheitsmoment des Rotors aufgrund eines großen Übersetzungsverhältnisses wesentlich größer als das Trägheitsmoment der Last, kann letzteres vernachlässigt werden. Ansonsten bestimmt sich das Trägheitsmoment wie nachfolgend ausgeführt.

Für die Erfassung des Parameters θ_L,ges, der nach der soeben abgeleiteten Beziehung gemäß Gleichung (27) insbesondere eine Abhängigkeit von dem lastseitigen Massenträgheitsmoment aufweist, wird nachfolgend ein lineares Gleichungssystem er stellt, das von der in Gleichung (34) - (41) hergeleiteten Beziehung

ausgeht.

Betrachtet man die Gleichung (28) im folgenden für zwei un terschiedliche, an dieser Stelle nicht näher festgelegte In tervalle [t₁, t₁ + T] und [t₂, t₂ + T] so ergibt sich:

mit t₁ = x₀ < x₁ < . . . < x_n = t₁ + T
und x_i-1 < τ_i < x_i
und

mit t₂ = y₀ < y₁ < . . . < y_n = t₂ + T
und y_i-1 < ξ_i < y_i

Hierbei wird zwecks der Lösbarkeit des linearen Gleichungs systems die Annahme getroffen, daß das mittlere Widerstands moment bezüglich der beiden Intervalle gleich sei. Das unbe kannte Widerstandsmoment kann daraufhin eliminiert werden. Das Gleichungssystem läßt sich in der Matrixschreibweise nach folgender Art und Weise formulieren:

Durch die Anwendung der Cramer′schen Determinantenregel zur Lösung des Gleichungssystems ergibt sich für das gesuchte Massenträgheitsmoment:

Werden die beiden Determinanten in Gleichung (32) in bekann ter Weise aufgelöst, so läßt sich der Parameter θ_L,ges nähe rungsweise gemäß der nachfolgenden Gleichung bestimmen:

Zur Bestimmung von θ_L,ges wird am Antrieb eine oder mehrere Lernfahrten durchgeführt. Aus dem Vergleich einer Beschleu nigungsphase mit einer Phase mit gleichbleibender Geschwindigkeit ergibt sich das Trägheitsmoment nach Gleich ung (33) aus dem gemessenen Motorstrom und aus der durch die Auswertung der Inkrementalgeberimpulse ermittelten Beschleu nigung.

Die Intervalle [t₁, t₁ + T] und [t₂, t₂ + T] werden während der Lernfahrten derart festgelegt, daß die mittleren Wider standsmomente bzgl. der beiden Intervalle gleich sind.

In dem meisten Anwendungsfällen kommt aufgrund der nur be grenzt zur Verfügung stehenden Rechenleistung der verwende ten Mikrosteuerungen eine numerisch-iterative Lösung des oben beschriebenen Differentialgleichungssystems nicht in Frage. Nachfolgend wird ein Ansatz zur Lösung des Differen tialgleichungssystems beschrieben, bei dem die relevante Differentialgleichung in eine Integralgleichung umgeformt wird.

Ausgangspunkt ist die nachfolgende Differentialgleichung

mit

M*_W,ges = M*_L + M_AR + M*_LR (35)

wobei:

M*_L = das über das Getriebe auf die Antriebswelle umgerech nete Lastmoment,
M_AR = die antriebsseitigen Reibungsmomente,
M*_LR = die auf die Antriebswelle umgerechneten lastseitigen Reibungsmomente.

Eine Umrechnung der Differentialgleichung in Bezug auf die Abtriebswelle liefert die nachfolgende Beziehung

mit

M_W,ges = ü · M*_W,ges = M_L + ü · M_AR + M_LR (37)

Wird diese Differentialgleichung über einen noch nicht näher festgelegten Zeitraum T integriert, so ergibt sich zunächst

Das linke Integral der Gleichung (38) kann nun auf die nach folgend beschriebene Art und Weise behandelt werden.

Durch Einfügen von Teilpunkten x_i mit i = 0,1 . . . n und t₀ = x₀ < x₁ < . . . < x_n = t₀ + T kann das Intervall [t₀, t₀ + T] in Teilintervalle zerlegt werden, und das Integral gemäß folgender Gleichung angenähert werden:

Bei einer äquidistanten Zerlegung des Intervalls [t₀, t₀+T] gilt der Zusammenhang:

Unter dieser Voraussetzung läßt sich die Beziehung gemäß der Gleichung (39) vereinfacht schreiben als:

An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, daß der Term (1/n)ΣI_A(τ_i) dem arithmetischen Mittel für ein n-Tupel von Abtastwerten des Ankerstroms I_A entspricht.

Ferner kann festgestellt werden, daß die rechte Seite der Gleichung (40) für n-<∞ gegen den Wert des Integrals konver giert, und daß der durch die Näherung entstehende Fehler in der Regel um so geringer ist, je größer der Wert für n ge wählt ist.

Ausgehend von diesen Überlegungen läßt sich die Gleichung (38) schließlich in vereinfachter Form schreiben als

mit

Gemäß der Gleichung (42) beschreibt die Größe den Mittelwert des Widerstandsmoments für das Intervall [t₀, t₀ + T].

Mittels einer einfachen Umformung der Gleichung 41 läßt sich das mittlere Widerstandsmoment für das Intervall [t₀, t₀+T] näherungsweise gemäß Gleichung (43) bestimmen.

Für eine Bestimmung des mittleren Widerstandsmoments gemäß der abgeleiteten Beziehung aus Gleichung (43) ist eine ge eignete meßtechnische Erfassung der Zustandsgrößen, Winkel geschwindigkeit und Ankerstrom und weiterhin die Kenntnis des Massenträgheitsmoments, das auf den Gleichstromantrieb wirkt, und die Motorkonstante ausreichend.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem bevorzugten Aus führungsbeispiel erfaßt somit zuerst zwei Zustandsgrößen des Gleichstromantriebes und bestimmt anschließend das an dem Gleichstromantrieb anliegende Widerstandsmoment aus den er faßten Zustandsgrößen und aus Parametern des Gleichstroman triebes und eines durch den Gleichstromantrieb angetriebenen Elements. Bevorzugterweise umfassen die Zustandsgrößen die Winkelgeschwindigkeit und den Ankerstrom des Gleichstroman triebs, und die Parameter umfassen das Massenträgheitsmoment des durch den Gleichstromantrieb angetriebenen Elements und die Motorkonstante des Gleichstromantriebs selbst. Die für die Bestimmung des Widerstandsmoments erforderlichen Parame ter werden während eines Lernbetriebs des ungestörten Gleichstromantriebs bestimmt und gespeichert. Auf ähnliche Weise wird das vorbestimmte Widerstandsmoment während eines Lernbetriebs des ungestörten Gleichstromantriebs bestimmt und gespeichert.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Gleichstromantrieb zum Antreiben eines Tores verwendet. In diesem Fall stellt die abnorme Situation das Antreffen eines Hindernisses im Torlaufweg dar und nach dem Feststellen die ser abnormen Situation erfolgt ein Abschalten und/oder ein Reversieren des Gleichstromantriebs.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 bis 4 die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Auftreten einer abnor men Situation oder einer Gefahrensituation, wie z. B. eine Behinderung oder Blockierung der Antriebsbewegung, aus der resultierenden Erhöhung des Widerstandsmoments erkannt. Hierzu kann das, in der Realität positionsabhängige Wider standsmonent während einer ungestörten Fahrt ermittelt und abgespeichert werden. Die Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt nachfolgend durch einen Vergleich der Re ferenz-Widerstandsmomente und des aktuell ermittelten Wider standsmoments.

Das am Antrieb erfaßte Widerstandsmoment setzt sich im all gemeinen aus den nachfolgenden drei Teilmomenten zusammen:

- Lastmoment
- lastseitige Reibung
- antriebsseitige Reibung (Motor und Getriebe).

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich durch eine entsprechende Auswertung die Kompensation der Reibungsein flüsse ermöglicht, die eine Überwachung des reinen Lastmo ments stören würde.

Eine konstante Reibung bzw. eine von der Position abhängige Reibung (abtriebseitig) ist für die Funktion des Verfahrens unkritisch, da die durch diese auftretende Kraft während der Lernfahrt ermittelt und dem Soll-Lastmoment zugerechnet wer den kann, bzw. im Soll-Lastmoment enthalten ist.

Ist die auftretende Reibung (antriebs- als auch abtriebssei tig) drehzahlabhängig, können Fahrten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchgeführt werden. Die hierbei ermittel ten Werte werden in einer Tabelle abgelegt und dann zur Kor rektur entsprechend der aktuellen Geschwindigkeit vom ermit telten Lastmoment abgezogen.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird nachfolgend kurz die Funktions weise des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Graphen wurden mittels einer An ordnung ermittelt, bei der ein Gleichstrommotor ein Gewicht anhebt. Die Gefahrensituation wurde dadurch simuliert, daß das Gewicht während des Hebevorgangs sprunghaft erhöht wur de. In den Figuren sind jeweils der Motorstrom, die Drehzahl und das ermittelte Widerstandsmoment über der Zeit aufge zeichnet. In Fig. 2 ist ein Sprung zum Zeitpunkt t = 2,8 s zu erkennen, an dem eine Lasterhöhung von 86 N erfolgte. Im Stromverlauf in Fig. 2 ist ebenfalls der Anlaufstrom zu ent nehmen, der bei der Berechnung des Lastmoments fast voll ständig kompensiert ist. Die in Fig. 2 aufgetragenen Ver läufe wurden bei einem Antrieb, der mit konstanter Geschwin digkeit läuft, erfaßt.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Motorstroms, des Lastmoments und der Drehgeschwindigkeit über die Zeit aufgezeichnet, wo bei in diesem Fall der Gleichstromantrieb nicht mit konstan ter Geschwindigkeit betrieben wurde. Wie deutlich aus Fig. 3 zu erkennen ist, funktioniert die Kompensation des Anlauf stroms auch bei nicht-konstanten Geschwindigkeiten. Zum Zeitpunkt t = 3,5 s wurde eine Erhöhung der Last um 40 N durchgeführt. Die Veränderung des Lastmoments ist deutlich zu erkennen, wohingegen der Motorstrom auch durch die Be schleunigungs- und Verzögerungsvorgänge starken Schwankungen unterliegt.

In Fig. 4 sind der Motorstrom, die Drehzahl und das Lastmo ment über der Zeit aufgetragen, die während des Betriebs eines Garagenantriebs mit einer sprunghaften Erhöhung des Lastmoments erfaßt wurden. Zu den Zeitpunkten t = 3,3 s und T = 8,5 s wirken an der Torkante zusätzliche Kräfte von je weils 50 N. Diese zusätzlichen Kräfte sind deutlich an den Verlauf des berechneten Lastmoments ML(t) erkennbar. Wie der Fig. 4 deutlich zu entnehmen ist, führt der Verlauf des La stmoments an den entsprechenden Zeitpunkten deutliche Sprün ge auf, so daß aus Fig. 4 klar hervorgeht, daß über die Be rechnung des Lastmoments eine wesentliche exaktere Erfassung einer Laständerung erfolgen kann, als dies z. B. durch eine Stromüberwachung möglich wäre, wie dies aus dem Verlauf des Motorstroms I_A(t) ohne weiteres hervorgeht.

Es wird darauf hingewiesen, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren für alle Arten von Gleichstromantrieben eignet, bei denen die Erfassung einer Lasterhöhung zur Vermeidung von abnormen Situationen erforderlich ist.

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines Gleichstromantriebs, insbe sondere eines Gleichstromtorantriebs, gekennzeichnet durch folgende Schritte

a) Erfassen von zwei Zustandsgrößen des Gleichstroman triebs;
b) Bestimmen eines an den Gleichstromantrieb anliegen den Last- oder Widerstandsmoments (M_L);
c) Vergleichen des bestimmten Last- oder Widerstands moments mit einem vorbestimmten Last- oder Wider standsmoment; und
d) Feststellen einer abnormen Situation, wenn das be stimmte Last- oder Widerstandsmoment das vorbe stimmte Last- oder Widerstandsmoment überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt b) folgenden Schritt umfaßt:
Bestimmen des an dem Gleichstromantrieb anliegenden Last- oder Widerstandsmoments aus den in Schritt a) erfaßten Zustandsgrößen und aus Parametern des Gleichstromantriebs und eines durch den Gleichstrom antrieb angetriebenen Elements.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die im Schritt a) erfaßten Zustandsgrößen die Win kelgeschwindigkeit (ω_L) und den Ankerstrom (I_A) des Gleichstromantriebs umfassen; und
daß die Parameter das Massenträgheitsmoment (θ_L,ges) des durch den Gleichstromantrieb angetriebenen Elements und die Motorkonstante (k₃θ) des Gleichstromantriebs umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Parameter des Gleichstromantriebs und des durch den Gleichstromantrieb angetriebenen Elements während eines Lernbetriebs des ungestörten Gleichstromantriebs bestimmt und gespeichert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn zeichnet durch folgenden Schritt:

e) Abschalten und/oder Reversieren des Gleichstroman triebs, wenn im Schritt d) eine abnorme Situation festgestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Last- oder Widerstandsmoment (M_L) gemäß der nachfolgenden Gleichung bestimmt wird: mit mittleres Last- oder Widerstandsmoment,
K₃θ Motorkonstante,
I_A Ankerstrom,
θ_L,ges Massenträgheitsmoment, und
ω_L Winkelgeschwindigkeit.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die abnorme Situation im Falle eines Gleichstrom torantriebs das Antreffen eines Hindernisses im Tor laufweg ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das vorbestimmte Last- oder Widerstandsmoment wäh rend eines Lernbetriebs des ungestörten Gleichstroman triebs bestimmt und gespeichert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmoment (M*_W,ges) durch Lösung der folgenden Differentialgleichungen bestimmt wird: mit:I_A Ankerstrom,
U_A Ankerspannung,
R_A Ankerwiderstand,
L_A Ankerinduktivität,
ω_A Winkelgeschwindigkeit,
θ_A,ges Massenträgheitsmoment,
M*_W,ges Widerstandsmoment,
Φ magnetischer Fluß eines einzelnen Pols durch die Spulen,
k₃Φ Motorkonstante,
k₂I_A = M_I inneres Drehmoment.