DE19622699A1 - Regeleinrichtung und -verfahren für Motoren - Google Patents

Regeleinrichtung und -verfahren für Motoren

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Motor von der im Oberbegriff des Patentanspruchs an­ gegebenen Art sowie auf ein Verfahren zur Steuerung eines Motors.
Regeleinrichtungen zum Betrieb von Motoren sind allgemein bekannt. Zu diesem Zweck wird beispielsweise über einen Sensor der Bewegungszustand bzw. die Lage des Motors ermit­ telt und der Regeleinrichtung zugeführt, die den Motor ab­ hängig von der Differenz zwischen Soll- und Istwert der Mo­ torparameter betreibt. Auf diese Weise können auch zeitlich veränderliche Vorgabewerte wie Lage, Geschwindigkeit oder Beschleunigung relativ genau eingehalten werden.
Im Zuge der technischen Weiterentwicklung werden jedoch die Anforderungen an die Präzision der Reglung von beispiels­ weise Elektromotoren, aber auch Fluid- oder Verbrennungsmo­ toren, immer höhere Anforderungen gestellt.
Insbesondere bei modernen Fertigungsautomaten wie Geräte zum Bonden, Bestückungsautomaten, Fräsmaschinen und der­ gleichen müssen einander widersprechende Anforderungen von einer Regeleinrichtung erfüllt werden.
So muß ein Bestückungsautomat zur Bestückung von Schal­ tungsplatinen mit elektronischen Bauelementen eine Punkt- zu-Punkt-Bewegung ausführen, bei der einerseits der Punkt zum Einsetzen des Bauelementes sehr genau angesteuert wer­ den muß, andererseits die Punkt-zu-Punkt-Bewegung mit hoher Geschwindigkeit erfolgen soll, was, bedingt durch die Be­ schleunigungen und Abbremsungen, zu Schwingungen im System führt, die wiederum die Genauigkeit bei der Positionierung beeinträchtigen. Dies gilt auch für moderne Fräsmaschinen, bei denen ein relativ kleiner Fräskopf für verschieden große Fräsöffnungen und -konturen verwendet wird. Auch hier muß eine große Lagegenauigkeit mit einer hohen Geschwindig­ keit bzw. Beschleunigung des Fräskopfes verbunden werden.
Bei herkömmlichen Werkzeugmaschinen wie Fräsmaschinen oder dergleichen oder auch bei Bestückungsautomaten werden als translatorische Antriebe Kugelrollspindelantriebe verwen­ det, bei denen ein Elektromotor eine Kugelrollspindel an­ treibt, die ihrerseits einen Werkzeugtisch oder einen Werk­ stücktisch verschiebt. Die Motorregelung erfolgt dann ei­ nerseits über einen Drehgeber am Motor sowie über einen Li­ nearmaßstab am Werkzeugtisch.
Dabei hat sich jedoch gezeigt, daß alle mechanischen Bau­ elemente des Kugelrollspindelantriebs einen nachteiligen Einfluß auf die Regelstrecke ausüben, d. h. Zeitverzögerun­ gen aufgrund der Elastizitätseigenschaften der Spindel, der Schwingungen des Werkstücks oder des Werkzeugtisches etc. wirken sich als Phasendrehungen in der Regelstrecke aus, was zu einem Schwingungsproblem führt.
In einem gewissen Ausmaß kann dieses Problem durch Einsatz von Direktantrieben, d. h. elektromagnetischen Linearmoto­ ren, vermindert werden, da z. B. das mechanische Element der Kugelrollspindel bei einem linearen Direktantrieb ent­ fällt. Allerdings ist auch hier zu beachten, daß alle me­ chanischen Elemente wie die Aufhängung des Fräskopfes, des Werkstücktisches etc. einen nachteiligen Einfluß auf die Regelstrecke ausüben, wenn auch in reduziertem Maß. Dar­ überhinaus werden auch Einflüsse der Regelschaltung selbst wichtig. Bei einer Geschwindigkeitsregelung wird im allge­ meinen ein Geschwindigkeits-Istsignal aus einem Positions-Istsignal abgeleitet und mit einem Geschwindigkeits-Sollsi­ gnal verglichen. Durch die zeitliche Ableitung wird so eine Verzögerung in das System eingebracht, die sich als Phasen­ verschiebung oder -drehung auf die Regelstrecke nachteilig auswirkt. Ferner ist zu beachten, daß normalerweise die Po­ sitionsdaten diskret aufgenommen werden, wodurch sich ein Quantisierungsrauschen ergibt, das bei der zeitlichen Ab­ leitung noch verstärkt wird. Entsprechende Überlegungen gelten in verstärktem Maße für eine mögliche Beschleuni­ gungsregelung.
Entsprechende Probleme ergeben sich auch bei der sogenann­ ten kaskadierten Regelung, bei der mehrere Regler hinter­ einandergeschaltet sind, beispielsweise eine Lagereglung, eine Geschwindigkeitsregelung und eine Beschleunigungsrege­ lung.
Zwar läßt sich die Regelgenauigkeit durch Einsatz einer so­ genannten Vorsteuerung, bei der beispielsweise dem Ge­ schwindigkeitsregler zusätzlich ein aus den Sollwerten ab­ geleitetes Geschwindigkeitsvorsteuersignal zugeführt wird, noch weiter steigern, die oben dargestellten Probleme hin­ sichtlich der Phasendrehung, Phasenverschiebung und der Verzögerung bleiben jedoch erhalten.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Regel­ einrichtung für einen Motor zu schaffen, die eine schnelle und genaue Regelung des Bewegungszustandes des Motors er­ möglicht; desweiteren soll ein entsprechendes Verfahren zur Regelung eines Motors geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Regeleinrichtung gemäß An­ spruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Regelung eines Motors gemäß Anspruch 7 gelöst; die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Entwicklungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist der Sensor zur Erfassung des Bewegungs­ zustandes des Motors an der Kraftübertragungsstelle des Mo­ tors angeordnet. Auf diese Weise können alle Änderungen des Bewegungszustandes des Motors direkt erfaßt und dem Regler zugeführt werden, so daß eine unmittelbare Regelung möglich ist, die im wesentlichen frei von mechanischen Einflüssen und/oder Einflüssen der Regeleinrichtung wie Differenzie­ rung etc. ist.
Vorzugsweise erfaßt der Sensor direkt die Zustandsparameter des Kraftübertragungsmediums an der Kraftübertragungsstelle des Motors, beispielsweise den Druckzustand eines Fluids oder die elektrische und/oder magnetische Feldstärke eines Elektromotors. Dieser Zustandsparameter ist unmittelbar eine Maßgabe für den Bewegungszustand bzw. für Änderungen des Bewegungszustandes des Motors; zu diesem Zweck ist der Sensor im weitesten Sinne "im" Kraftübertragungsmedium des Motors angeordnet.
Der Sensor kann ein Winkellagengeber, ein Winkelgeschwin­ digkeitsgeber oder ein Winkelbeschleunigungsgeber im Fall eines Rotationsmotors sein oder ein Weggeber, ein Geschwin­ digkeitsgeber und/oder ein Beschleunigungsgeber im Fall ei­ nes Linearmotors.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Bewegungszu­ stand des Motors unmittelbar an der Kraftübertragungs­ schnittstelle ermittelt, und zwar vorteilhafterweise über das Kraftübertragungsmedium.
Das Regelungsverfahren kann dabei vorteilhafterweise mit einer Kaskadenregelung mit einer Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsreglung kombiniert werden; auch ist es mög­ lich, eine Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsvor­ steuerung einzusetzen.
Ein Ausführungsform der Erfindung wird anhand der beigefüg­ ten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer CNC-gesteuerten Werkzeugmaschine mit einem Linearmotor und
Fig. 2 eine schematisch Darstellung eines erfindungsge­ mäßen Reglers.
In Fig. 1 bezeichnet 10 einen Maschinenrechner zur Steue­ rung der CNC-Maschine. Der Maschinenrechner 10 kommuniziert mit einem Datenträger 20, der beispielsweise Vorgabedaten zur Steuerung eines Fräskopfes (nicht dargestellt) enthält. Über eine Schnittstelle 30 und eine Schnittstelle 40 werden die Vorgabedaten einem Antriebsrechner 100 zugeführt. Der Antriebsrechner steuert über eine Endstufe 60 einen schema­ tisch dargestellten Linearmotor 200.
Der Linearmotor 200 umfaßt in bekannter Weise ein Primär­ teil (Reaktionsteil) 210 und ein Sekundärteil (Ständer) 220. Schematisch dargestellt sind ein Linearmaßstab 230 und ein Weggeber 240. An oder in der Kraftübertragungsschnitt stelle des Linearmotors, nämlich dem Luftspalt zwischen dem Primär- und dem Sekundärteil, ist ein Sensor 250 zur direk­ ten Erfassung der Geschwindigkeit vorgesehen. Die Geschwin­ digkeitserfassung kann beispielsweise direkt aus dem zeit­ lichen Vorlauf des Magnetfeldes am Ort des Sensors abgelei­ tet werden.
Die Sensoren 250 und 240 geben ihre Signale an den An­ triebsrechner 100, der eine Geschwindigkeitssteuerung, La­ gesteuerung bzw. Stromsteuerung vornimmt.
Der Linearmaßstab ist in Fig. 1 separat vom Linearmotor dargestellt, er kann sich jedoch ebenfalls am Ort der Kraftübertragungsschnittstelle, d. h. im Luftspalt zwischen den Motorteilen befinden. Auch für den Linearmaßstab bzw. den Wegsensor können die Eigenschaften des Kraftübertra­ gungsmediums, d. h. das elektrische Feld ausgenutzt werden.
Fig. 2 zeigt im größeren Detail ein Beispiel für den Aufbau der im Arbeitsrechner 100 ablaufenden Motorregelung.
Von dem Maschinenrechner 10 bzw. dem Datenträger 20 werden die Vorgabedaten an einem linearen Lageinterpolierer 110 gegeben. Diese Daten werden einem Subtraktionsglied 111 zu­ geführt, dessen invertierendem Eingang die Lage-Ist-Daten vom Linearmaßstab 230 über ein hochauflösendes Positionsin­ terface 50 zugeführt werden. Anschließend wird die Diffe­ renz einem Lageregler 112 zugeführt, dessen Ausgangsdaten einem weiteren Subtraktionsglied 120 zugeführt werden. Zur Bildung der Geschwindigkeitsdifferenz wird bei der bekann­ ten Technik das Ausgangssignal des Positionsinterface 50 in einem Differenzierglied 250′ differenziert und dem Sub­ straktionsglied 120 zugeführt. Dem Subtraktionsglied schließt sich eine Schaltung zur Ermittlung der Beschleuni­ gungsabweichung an, und zwar wird in einer Schaltung 270 die Sollbeschleunigung ermittelt, von der die Istbeschleu­ nigung subtrahiert wird, die durch eine weiteres Differen­ zierglied 260′ abgeleitet wurde. Ein anschließender Regel­ teil aus einem Stromregler 130, einer Endstufe 60 und einem Stromvektorbildner 132 bildet daraus den Antriebsstrom für den Synchronlinearmotor 200.
Die dargestellte Regelung stellt somit eine kaskadierte Re­ gelung dar, wobei zusätzlich noch eine Geschwindigkeitsvor­ steuerung 122 vorgenommen werden kann, bei der zusätzlich ein Geschwindigkeitsvorsteuersignal auf das Subrahierglied 120 gegeben wird.
Da die Informationen hinsichtlich des Geschwindigkeits-Ist-Wertes und des Beschleunigungs-Istwertes über Differenzier­ glieder 250′ und 260′ ermittelt werden, ergeben sich neben den mechanischen Beeinflussungen des Regelsystems auch ne­ gative Einflüsse wegen Signalverzögerungen, Phasendrehungen etc.
Aufgrund dessen weicht das erfinderische Regelschema von dem oben dargestellten Regelschema dadurch ab, daß anstatt des Differenziergliedes 250′ ein zusätzlicher Sensor 250 direkt am oder im Synchronlinearmotor vorgesehen ist. Die­ ser Sensor 250 ermittelt unmittelbar die Geschwindigkeit des Primärteils des Motors und leitet ein entsprechendes Signal an das Subtrahierglied 120. Auch für die Beschleuni­ gungsmessung ist ein separater Beschleunigungssensor 260 vorgesehen, der ohne Differenzierung das Beschleunigungssi­ gnal an das Subtrahierglied 272 abgibt, so daß auf das Dif­ ferenzierglied 260′ verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß werden somit die Differenzierglieder 250′, 260′ durch ent­ sprechende Sensoren 250, 260, die direkt den Bewegungszu­ stand des Motors erfassen, ersetzt.

Claims (16)

1. Regeleinrichtung für einen Motor (200), wobei der Mo­ tor (200) zumindest zwei Motorteile (210, 220) aufweist, die über eine Kraftübertragungsschnittstelle (270) mitein­ ander wechselwirken und relativ zueinander bewegbar sind, einem Sensor (250) zur Erfassung des Bewegungszustandes der Motorteile und einem Regler (100) zur Regelung des Bewe­ gungszustandes des Motors abhängig von Signalen des Sen­ sors, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor der Kraftübertragungsschnittstelle (270) des Motors (200) zugeordnet ist.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensor im Kraftübertra­ gungsmedium des Motors angeordnet ist.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zumindest einen Zustandsparameter des Kraftübertragungsmediums des Motors erfaßt.
4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungsme­ dium des Motors ein Fluid oder ein elektromagnetisches Feld ist.
5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Motor ein Ro­ tationsmotor ist und der Sensor ein Winkellagengeber, ein Winkelgeschwindigkeitsgeber und/oder ein Winkelbeschleuni­ gungsgeber ist.
6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Linearmotor ist und der Sensor ein Weggeber, ein Geschwin­ digkeitsgeber und/oder ein Beschleunigungsgeber ist.
7. Verfahren zur Regelung eines Motors, wobei der Motor zumindest zwei Motorteile aufweist, die über eine Kraft­ übertragungsschnittstelle miteinander wechselwirken und re­ lativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man den Bewegungszustand des Motors an der Kraftübertragungsschnittstelle des Motors erfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man Zustandsparameter des Kraftüber­ tragungsmediums des Motors erfaßt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man den Druck eines Fluids oder Druckänderungen oder die Stärke eines elektromagneti­ schen Feldes oder Feldänderungen an der Kraftübertragungs­ schnittstelle des Motors erfaßt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Winkellage der Motorteile, die Winkelgeschwindigkeit und/oder die Winkel­ beschleunigung an der Kraftübertragungsschnittstelle er­ faßt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man einen linearen Weg, eine Lineargeschwindigkeit und/oder eine Linearbeschleuni­ gung an der Kraftübertragungsschnittstelle des Motors er­ faßt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lagenregelung und eine Geschwindigkeitsregelung kaskadiert sind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man eine Geschwindigkeitsvorsteue­ rung vornimmt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man eine kaskadierte Rege­ lung mit einer Beschleunigungsregelung vornimmt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man eine Beschleunigungsvorsteuerung vornimmt.
16. Verwendung einer Regeleinrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 6 oder eines Regelverfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei einem Translationsantrieb einer Werkzeugmaschine, eines Bestückungsautomaten, eines Bon­ dingautomaten oder dergleichen.
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