DE19622699A1 - Regeleinrichtung und -verfahren für Motoren - Google Patents
Regeleinrichtung und -verfahren für MotorenInfo
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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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