DE19634449C2 - Steuerungsvorrichtung für linearmotor-getriebene Einrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für li­ nearmotor-getriebene Einrichtungen, insbesondere zum An­ trieb von Kluppen einer Folienreckanlage, nach dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Linearmotorantriebe sind beispielsweise aus den US-Patent­ schriften US 5,036,262, US 4,853,602, US 4,825,111 oder US 4,675,582 bekannt. Derartige Antriebssysteme gestützt auf einen Linearmotorantrieb sind grundsätzlich nicht nur bei der Kunststoffolienherstellung im Rahmen einer Reckanlage, sondern auch in anderen Bereichen einsetzbar, wie dies beispielsweise in der US 4,853,602 beschrieben ist.

Verkettete Linearsynchronmotor-Systeme umfassen als so­ genannte Primärteile eine Vielzahl hintereinander geschal­ teter Zonen mit Statorwicklungen, die in unterschiedlichen Phasenwinkeln mit vorwählbaren Stromamplituden ansteuerbar sind. Die Ansteuerung erfolgt dabei über Umrichter oder Frequenzumformer, die eine entsprechende Ausgangs-, Leistungs- oder Treiberstufe umfassen oder denen eine derartige Stufe nachgeschaltet ist.

Längs dieser Primärteile, d. h. längs der die Statorwick­ lungen umfassenden und in mehrere hintereinander geschal­ tete Zonen gegliederten Linearmotor-Strecke, sind dann sogenannte Sekundärteile über das erzeugte Magnetfeld verfahrbar. Im Falle von Folienreckanlagen handelt es sich dabei um sogenannte Kluppen.

Die aus der US 48 53 602 bekannten Umrichter haben dabei jeweils einen eigenen Steuerteil, bestehend aus einer Recheneinheit mit Adreßzählern, Speichern, Auswahllogik usw., die über einen Bus mit einer zentralen Steuereinheit verbunden sind. In den Speichern sind Profile abgespei­ chert, die Drei-Bit-Pulsmuster in Abhängigkeit von der Zeit darstellen. Sie werden von Adreßzählern adressiert, die ihrerseits von Zeittaktsignalen aus der Zeitbasis der Zentralsteuereinheit angesteuert werden. Die Profile sind so gewählt, daß der Übergang von einem Sektor in den näch­ sten überlappend mit gleicher Frequenz und Phasenlage erfolgen kann.

Ein Linearantrieb für Haustransportsysteme ist auch aus der US 48 76 966 bekannt geworden. Hierbei ist der Stator in eine Vielzahl von Sektoren aufgeteilt, die jeweils von einem Umrichter gespeist werden. Geschwindigkeitsprofile werden durch übergebene Randbedingungen (maximale Ge­ schwindigkeit, Beschleunigung usw.) in den Recheneinheiten erzeugt und abgearbeitet. Der abgestimmte Übergang von einem Sektor in den nächsten ist dabei funktionsnotwendig.

Aus den Vorveröffentlichungen US 52 74 317, EP 417 805 A1 und US 51 13 125 ist ferner zu entnehmen, daß die Berech­ nung der Wechselrichter-Schaltmuster über den zeitlichen Verlauf von Stromamplituden und Phasenwinkel üblich ist. Bei digitaler Verarbeitung ergibt der zeitliche Verlauf die Abhängigkeit dieser Größen vom Zeittakt.

Die aktive Synchronisierung der Wechselrichter-Zeitbasen ist ebenfalls grundsätzlich aus der US 55 30 323 bekannt. Die den Statoren zugeordneten Umrichter weisen je eine Zeit­ basis mit Zeitzähler auf. Diese Zeitbasen werden über Impulse von und zur Zentrale synchronisiert.

Soweit bei den vorstehend genannten Linearsynchronmotor-Systemen alle Umrichter in Echtzeit von einer zentralen Rechner- oder Steuerungseinheit angesteuert werden, ist zu berücksichtigen, daß beispielsweise bei einer Ausgangs­ frequenz von 60 Hz (entsprechend 6,6 m/s Geschwindigkeit und einer Polteilung von 0,055 m) und bei einer Auflösung von 360° in 6 Schritten bei 150 Umrichtern alle 2 ms 3 Bit über die Kommunikationsbusstruktur übertragen werden müs­ sen, was bei 16,6 ms/8 also zu einer Nettodatenrate von 150 × 3 × 500 = 225 kBaud führt, und dies bei einer hohen Anforderung an die Zeitgenauigkeit.

Neuere Generationen von Frequenzumformern bilden den Aus­ gangsstrom nicht in 6 Schritten (also nicht nach Art eines Six-Step-Drives) nach, sondern erlauben eine Sinusmodula­ tion. Dies erfordert eine feinere Sollwertvorgabe. Die Anforderung an das Übertragungsmedium (Datenbusstruktur) erhöht sich bei Verfeinerung der Auflösung quadratisch, da einerseits die Bitbreite pro Sollwert steigt und anderer­ seits dadurch auch öfter die Sollwerte übertragen werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Steuerungsvor­ richtung für linearmotor-getriebene Einrichtungen zu schaffen, bei welcher der Aufwand für die Datenübertragung und die Kommunikationsstruktur zwischen einem zentralen Leitrechner und den einzelnen Frequenzumrichtern, die die Linearmotoren, d. h. die einzelnen Zonen der Linearmotoren, ansteuern, deutlich minimiert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im An­ spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung der Aufwand für die Datenübertragung und die Kommunikationsstruktur zwischen einem zentralen Leitrechner und den einzelnen Frequenzum­ richtern deutlich minimiert wird, kann die Erfindung vor allem auch bei Anlagen eingesetzt werden, die mit einer hohen Antriebsgeschwindigkeit betrieben werden.

Erfindungsgemäß müssen nicht alle Daten für das jeweilige Phasenprofil zur Ansteuerung der Linearmotor-Zonen vom Zentralrechner aus an die Umrichter übertragen werden. Ausreichend ist, daß diese Daten zumindest lediglich ein­ mal den einzelnen Umformern zur Verfügung gestellt werden. Für die entsprechende Ansteuerung des Linearmotorantriebs ist es dann im wesentlichen nur noch erforderlich, daß über die Datenbus-Kommunikationsstruktur die Synchronisie­ rung der Taktgeneratoren in den einzelnen Umrichtern er­ folgen muß. Dieses Synchronisieren erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit eines Clock-Generators in der zentralen Steuerungseinheit, worüber alle Clock-Generatoren in den Umrichtern, die nachfolgend auch teilweise als Slave-Clock-Generatoren bezeichnet werden, angesteuert werden. Über die Masterclock in der zentralen Steuerungseinheit wird die Ablaufgeschwindigkeit des Gesamtsystems, d. h. die Antriebsgeschwindigkeit der Sekundärteile und damit im Falle beispielsweise einer Folienreckanlage die Antriebs­ geschwindigkeit der Kluppen und damit beispielsweise die Folieneinlaufgeschwindigkeit gesteuert.

Jeder Umrichter weist oder Gruppen von mehreren Umrichtern weisen einen eigenen Rechner auf, vorzugsweise in Form eines Profilgenerators und/oder einer Einrichtung zur Erzeugung einer Koordinatentransformation für die Berech­ nung der Stromstärken in den Statorwicklungen des Primär­ teils. Da die entsprechenden Daten so lokal in den ein­ zelnen Umrichtern aufgearbeitet und erzeugt werden, wird in diesem Umfang die Datenübertragung zwischen einer z­ entralen Steuerungseinheit und den einzelnen Umrichtern verringert. Dabei können auf mehrere Umrichter, also für Gruppen aus zumindest zwei Umrichtern, bei Bedarf auch jeweils eine entsprechende Rechnereinheit, vorzugsweise in Form eines Profilgenerators und/oder einer Einrichtung zur Koordinatentransformation vorgesehen sein.

Auch bei einer Änderung der Geschwindigkeit und damit des von der Masterclock vorgegebenen Taktes muß dabei die Synchronität der in den Umrichtern erzeugten Taktfrequen­ zen gewährleistet sein, was bevorzugt über die Datenbus-Kommunikations­ struktur zwischen zentraler Steuerungsein­ heit und den einzelnen nachgeschalteten Umrichtern erfol­ gen kann, auch wenn grundsätzliche Lösungen denkbar sind, bei denen die Synchronisation der einzelnen in den Um­ richtern vorgesehenen Zeitgebern nicht von einer zentralen Steuerungseinheit, sondern beispielsweise in einer inter­ aktiven Steuerungskette oder mittels einer Informations­ flußstruktur durchführbar ist, bei welcher die Daten bei­ spielsweise von einem Umrichter zum nächsten lediglich in einer Richtung nach Art einer Nachfolgeschaltung (Daisy-Chain-Kette) weitergegeben werden.

Den vorstehend genannten Überlegungen liegt zugrunde, daß das Geschwindigkeitsprofil für alle Sekundärteile über eine jeweilige Zone (die von einem Umrichter angesteuert wird) bei einem vorgegebenen Geschwindigkeitsprofil kon­ stant ist, und die Sekundärteile mit einem konstanten Zeitabstand T in das System eintreten, wobei sich diese Anforderungen für jeden Umrichter mit der Taktzeit T wie­ derholen. Von daher ist es für jeden Umrichter - wenn ihm die entsprechenden Daten für sein spezifisches Phasen­ profil (der durch den Zusammenhang zwischen dem Phasenwin­ kel, der Stromamplitude und des Clocktaktes gegeben ist) zur Verfügung gestellt sind - nicht mehr erforderlich, nach einer einmal erfolgten Übertragung dieses Phasen­ profils die entsprechenden Daten erneut zu übertragen. Lediglich die Datenübertragung für die Synchronisierung der Zeittaktgeber in den Umrichtern ist notwendig.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, daß die gesamte Anlage mit dem Zeittakt der Masterclock synchronisiert wird. Dies er­ möglicht den Vorteil gemäß einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung, wonach für eine Änderung der Anlagen­ geschwindigkeit, beispielsweise für eine Erhöhung der Anlagengeschwindigkeit der vom Masterclock vorgegebene Zeittakt lediglich entsprechend beschleunigt werden muß, worüber alle Umrichter ihr spezifisches Programm in kürze­ rer Zeit abarbeiten. Durch dieses Verfahren wird gewähr­ leistet, daß einerseits das Geschwindigkeitsprofil (bezo­ gen auf eine Ausgangs- oder Einlaufgeschwindigkeit v₀) unabhängig vom Absolutwert der Produktionsgeschwindigkeit, also der Anlagengeschwindigkeit, immer konstant bleibt. Ferner läßt sich dadurch der weitere Vorteil realisieren, daß keine ergänzende Synchronisation der einzelnen Quarz­ uhren oder Taktgebern in den jeweiligen Umrichtern er­ forderlich ist, da, wie ausgeführt, die Synchronisation in Abhängigkeit des vom Masterclock vorgegebenen Zeittaktes in Form einer entsprechenden Ansteuerung erfolgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es ausreichend, wenn für jede Taktzeit T zumindest einmal die Zeit als Absolutwert vorzugsweise gleichzeitig an alle Umrichter versandt wird, um dadurch alle Umrichter zu synchronisieren.

Auch beim Ausfall eines übertragenen Zeit-Telegramms von der zentralen Steuerungseinheit an die Umrichter führt dies grundsätzlich nicht zu einer Beeinträchtigung des Steuerungssystems, da die Umrichter bevorzugt eine Ein­ richtung umfassen, um bei Ausfall entsprechender Zeittakt-Daten die für sie benötigten Zeitwerte durch Extrapolation zu erhalten.

Schließlich sind in einer Weiterbildung der Erfindung weitere Maßnahmen vorgesehen, die es ermöglichen, daß eine Änderung der Sollgeschwindigkeit durch eine Änderung des Masterclock-Taktes beim Eintreffen dieser entsprechenden Dateninformation beim jeweiligen Umrichter nicht zu einer abrupten Korrektur der Zeittakt-Information führt, sondern daß eine gewisse abgeschwächte Anpassung an die neue Soll­ wertvorgabe an den Masterclock-Takt erfolgt.

Das Bereitstellen der Information des Phasenprofils zur Erzeugung der Ansteuerungswerte der einzelnen Statorwick­ lungen in den Zonen des primären Linearmotorantriebes kann unterschiedlich erfolgen. Bevorzugt können die benötigten Daten an die Umrichter nach Art einer Look-up-Tabelle zur Verfügung gestellt werden. Die Daten können in abgestuften Werten vorliegen. Bei Bedarf können Interpolatationswerte durch die Umrichter errechnet werden.

Dabei kann das Phasenprofil so übermittelt werden, daß die entsprechenden Werte für den Phasenwinkel und die Stromam­ plitude für die einzelnen zonenbezogenen Statorwicklungen in Abhängigkeit von vorgegebenen Zeittaktwerten übermit­ telt werden.

Das Phasenprofil kann aber in einer Abänderung der Erfin­ dung auch in Form eines Startwinkels und einer Tabelle für die Winkelgeschwindigkeit dϕ/dz, in Abhängigkeit von der kleinsten auflösbaren Zeiteinheit des umrichterseitigen Zeittaktgebers zur Verfügung gestellt werden.

Schließlich kann in einer weiteren Abwandlung das Phasen­ profil auch in einer Form einer Startzeit und einer Tabel­ le für die Winkelgeschwindigkeit, in Abhängigkeit von der kleinsten auflösbaren Winkeleinheit des umrichterseitigen Zeittaktgebers übermittelt werden.

Da eine Änderung des Geschwindigkeitsprofils jeweils eine Änderung von dem bisherigen Phasenprofil zu einem neuen Phasenprofil für jeden einzelnen Umrichter zur Folge hat, und dies bei laufendem System, sind vorzugsweise weitere diesen Änderungsvorgang unterstützende Maßnahmen vorgese­ hen. Bei einer Änderung des Geschwindigkeitsprofils wird bevorzugt diese Änderung nicht schlagartig durchgeführt, zumal die durch den in Zonen aufgeteilten Linearmotor­ antrieb fortbewegten Sekundärteile durch einen Ausgleichs­ vorgang (Transition) auf das neue Geschwindigkeitsprofil gebracht werden müssen. Während dieses Übergangszeitraumes muß also jedes Sekundärteil, bezogen auf eine betreffende Zone des Primärteils, ein spezielles Phasenprofil durch­ laufen, das sich sowohl vom alten Profil (bisheriges Ge­ schwindigkeitsprofil) als auch von dem noch nicht erreich­ ten neuen Profil (entsprechend der neuen Sollvorgabe für das Geschwindigkeitsprofil) unterscheidet.

Um nicht jedem Umrichter alle Phasenprofile der am Über­ gang beteiligten Sekundärteile vorab übermitteln zu müssen (was zudem wieder eine erhebliche Beanspruchung der Da­ tenbus-Kommunikationsstruktur zur Folge hätte), wird be­ vorzugt eine Übergangsfunktion von einem Phasenprofil zum nächsten für die einzelnen Zonen definiert, beispielsweise linear über die Zeit. Wird die Übergangsphase vom erwähn­ ten alten auf das neue Profil in allen Umrichtern gleich­ zeitig gestartet, so genügt das alte Phasenprofil, das neue Phasenprofil und die Übergangszeit bis zum Erreichen des neuen Phasenprofils für die Sekundärteile, um die Synchronität zu wahren. Die Übergangsfunktion anhand der Ausgangsdaten und der zu erreichenden neuen Daten ent­ sprechend dem neuen Profil kann dann in jedem Umrichter oder jedenfalls für Gruppen einzelner Umrichter berechnet werden, um den Datenfluß in der Datenbus-Kommunikations­ struktur zwischen zentraler Steuerungseinheit und Umrich­ tern zu minimieren.

Die Erfindung eignet sich vor allem für Linearsynchron­ antriebe. Grundsätzlich läßt sich das Prinzip aber auch für andere Linearantriebe, beispielsweise einen Asynchron­ antrieb anwenden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand weiterer Einzelhei­ ten Bezug nehmend auf Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein schematisches auszugsweises Blockdia­ gramm zur Verdeutlichung der Steuerungs­ vorrichtung für ein Linearsynchronmotor-System; und

Fig. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Zeittakt-Anpassung in den einzelnen Um­ richtern bei einer Änderung der Soll-Ge­ schwindigkeit in der zentralen Steuerungs­ vorrichtung, d. h. in dem Masterclock-Gene­ rator.

In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 ist eine zentrale Steuerungseinrichtung 1 gezeigt, die in der Regel aus einem zentralen Rechner besteht.

Das Linearsynchronmotor-System umfaßt auf einer Linear­ motorstrecke ein sogenanntes Primärteil 2, welches in eine Vielzahl hintereinander geschalteter (verketteter) Zonen 5 gegliedert ist. Diese Zonen 5 umfassen in an sich be­ kannter Weise Statorwicklungen 7 zur Erzeugung eines Wander-Magnetfeldes zum Antrieb sogenannter Sekundärteile, d. h. beispielsweise im Falle einer Kunststoffolienreck­ anlage zum Antrieb von längs der Linearmotorstrecke 2 zu verfahrenden Kluppen, die in der Regel mit einem entspre­ chenden Permanentmagneten versehen sind.

Zur Ansteuerung der einzelnen in Zonen gegliederten Li­ nearsynchronmotor-Wegabschnitten sind den einzelnen Zonen 5 jeweils sogenannte Umrichter 11 zugeordnet, die nachfol­ gend auch als Frequenzumrichter bezeichnet werden.

Jeder der einer Zone 5 zugeordneten Umrichter 11 umfaßt dabei einen Zeittaktgeber 13, d. h. einen sogenannten Clock-Generator 13, der nachfolgend teilweise auch als Slave-Clock-Generator bezeichnet wird.

Ferner weist jeder Umrichter 11 einen Profilgenerator 15 auf, der in Abhängigkeit des im Zeittaktgeber 13 erzeugten Zeitwert anhand vorgegebener Daten für den Phasenwinkel und die Stromamplitude jeweils zeitabhängig den Phasenwin­ kel ϕ und die Stromamplitude I nach den Formeln

ϕ = F_ϕ1{z}

bzw. den Strom nach der folgenden Formel

I = F_I1{z}

berechnen kann.

Anhand des zeittaktabhängigen Phasenwinkels und der zeit­ abhängigen Stromamplitude können dann über diesen Profil­ generator 15 in einer nachgeschalteten Transformations­ stufe 17 die Strom-Sollamplituden für die im gezeigten Ausführungsbeispiel benötigten drei Stromwerte I_a, I_b und I_c für die drei Statorwicklungen 7 berechnet und erzeugt werden, die dann einer Stromregelungs- und Leistungsstufe 19, einer sogenannten Treiberstufe zugeführt werden, an deren Ausgängen die Statorwicklung 7 zur entsprechenden Stromversorgung mit den errechneten Stromwerten I_a bis I_c pro Zone angeschlossen sind.

Schließlich ist in dem Blockbilddiagramm gemäß Fig. 1 ebenfalls eingezeichnet, daß die zentrale Steuerungsein­ richtung 1 einen zentralen Zeittaktgeber 21 umfaßt, der auch als Masterclock-Generator bezeichnet wird.

Im Blockschaltbild gemäß Fig. 1 sind lediglich zwei Um­ richter 11 gezeigt, die die Statorwicklungen beispiels­ weise in zwei aufeinander folgenden Zonen 5 des Linearsynchronmotor-Systems ansteuern. Über eine schema­ tisch gezeigte Daten- und/oder Kommunikationsbusstruktur 23 erfolgt von der zentralen Steuerungseinrichtung 1 eine nachfolgend beschriebene Ansteuerung aller weiteren, in Fig. 1 nicht näher gezeigten aber ansonst gleich aufge­ bauten Umrichterstufen 11.

Da bei dem vorgegebenen Geschwindigkeits- und/oder Be­ schleunigungsprofil längs des Primärteils des Linearsyn­ chronmotor-Systems das Geschwindigkeitsprofil für alle Sekundärteile über eine betreffende Zone 5 und damit für die der jeweiligen Zone 5 zugeordneten Umrichter 11 kon­ stant ist, treten also die betreffenden Sekundärteile mit einem konstanten Zeitabstand T in die jeweilige Zone 5 ein. Von daher wiederholen sich die Anforderungen für jeden Umrichter 11 mit der Taktzeit T.

Von daher ist es zur Ansteuerung lediglich erforderlich, daß den einzelnen Umrichtern 5, in dem gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel den einzelnen Profilgeneratoren 15 die je­ weiligen Daten zur Erzeugung eines spezifischen, zonen­ abhängigen Phasenprofils vorgegeben werden. Über diesen Profilgenerator 15 können dann die entsprechenden Phasen- und Stromamplituden-Werte zur Ansteuerung der zugeordneten Statorwicklungen 7 berechnet und erzeugt werden. Ansonsten ist es nur erforderlich, daß von der zentralen Steuerungs­ einrichtung 1, d. h. im besonderen vom zentralen Zeittakt­ geber (Masterclock) 21, lediglich über die Datenbusstruk­ tur 23 ein Masterclock-Takt den einzelnen Umrichtern 11 zugeführt werden muß, um den Masterclock mit den einzelnen Drive- oder Slave-Clocks zu synchronisieren. Durch den Takt des Masterclock-Generators wird die Ablaufgeschwin­ digkeit des Gesamtsystems, d. h. die Geschwindigkeit der Sekundärteile, bestimmt und festgelegt.

Die entsprechenden Datenvorgaben für das Phasenprofil können bei Bedarf über die gleiche Daten- und/oder Kommu­ nikationsbusstruktur 23 (über die auch die Taktsynchroni­ sation zwischen dem Masterclock- und den nachgeordneten Umrichtern-, Drive-, Clock-Gebern synchronisiert wird) übertragen werden. Abweichend davon können diese Daten zur Erzeugung eines entsprechenden Phasenprofils auch über eine separate Daten- und/oder Kommuniktationsbusstruktur 23' zwischen der zentralen Steuerungseinrichtung 1 und den einzelnen Umrichtern weitergegeben werden.

Da die Daten für das Phasenprofil nur einmal übertragen werden müssen und ansonsten nur die Synchronität zwischen den Masterclocks und den Slave-Clocks aufrecht erhalten werden muß, müssen vergleichsweise nur wenig Daten ständig übertragen werden. Dies trägt auch zu einer Erhöhung der Robustheit des gesamten Systems bei, da auch bei Auftreten von Übertragungsfehlern oder Ausfällen beim Übertragen der Daten des Phasenprofils die Datenübertragung gestoppt und erneut gestartet werden kann, ohne daß dies zu einer grundsätzlichen Beeinträchtigung des Steuerungssystems führt.

Bevorzugt pro Takt T, mit der die Sekundärteile in die jeweilige Zone 5 einlaufen, zumindest einmal wird ein entsprechender Absolutwert für die Zeittaktsteuerung vom Masterclock an die Slaveclocks 5 übertragen. Die Über­ tragungsdichte kann beliebig erhöht werden. Sollte jedoch eine Störung auftreten und innerhalb eines Zeittaktes T eine Taktgeber-Synchronisation nicht stattfinden können, so ist hilfsweise in den Umrichtern 11 vorgesehen, daß eine Extrapolation der Zeittakt-Synchronisationswerte intern erzeugt wird, bis wieder ein nächstes Zeittakt-Telegramm vom Masterclock-Generator 21 empfangen wird.

Das benötigte Phasen- und damit das Geschwindigkeitsprofil zur Ansteuerung der Statorwicklung 7 kann in den einzelnen Umrichtern unterschiedlich berechnet werden.

Möglich ist, daß das Phasenprofil, d. h. die Daten für das Phasenprofil, für jeden Umrichter 11 nach Art einer Tabel­ le, beispielsweise einer sogenannten Look-up-Tabelle, zur Verfügung gestellt wird, die nachfolgend wiedergegeben ist:

Mit anderen Worten wird das Geschwindigkeitsprofil für eine Zone und damit für die einzelnen Umformer 11 durch die Werte und Daten für den Phasenwinkel ϕ(z) und die Stromamplitude I(z) bezogen auf eine Taktgeber-Zeit z vor­ gegeben, wobei die einzelnen Umrichter 11 - falls dies er­ forderlich sein sollte - zwischen den so vorgegebenen Stu­ fenwerten noch Zwischenwerte rechnerisch interpolieren können.

Abweichend davon können die Daten für ein entsprechendes Phasenprofil auch entsprechend der nachfolgenden Tabelle den Profilgeneratoren 15 zur Verfügung gestellt werden:

Bei dieser Variante wird das Phasenprofil im jeweiligen Umrichter 11, ausgehend von einem Startwinkel ϕ1 und aus den tabellarisch zur Verfügung gestellten Winkelgeschwin­ digkeiten bezogen auf eine Zeittaktänderung ω(z) = dϕ/dz (= Drehgeschwindigkeit des Stromvektors), also als Gra­ dient bezogen auf die kleinste auflösbare und nachfolgend als "tick" bezeichnete Zeiteinheit "tick" berechnet. In diesem Fall wird dem Umrichter also nicht der Phasenwinkel für einen bestimmten Zeitpunkt vorgegeben, sondern die erforderliche Änderung dieses Winkels für einen bestimmten Zeitpunkt, also die Drehgeschwindigkeit des Stromvektors. Die Stromamplitude wird, wie im erstgenannten Fall, in Form der Beziehung I(z) ermittelt.

Dabei wird im Umrichter 11, d. h. im Profilgenerator 15, aus der aktuellen Clock-Zeit die Winkelgeschwindigkeit in Grad/tick und aus der zeitlichen Änderung die Clock-Zeit und aus der Änderung der Winkelgeschwindigkeit in Grad/tick die aktuelle Winkeländerung in Grad berechnet. Die Kummulierung aller Winkeländerungen ergibt den aktuellen Sollwinkel ϕ.

In einer dritten Abwandlung kann das Phasenprofil in Form der Startzeit z1 und in Form von in tabellarisch zur Ver­ fügung gestellten Werten für die Winkelgeschwindigkeit bezogen auf die Clock-Zeit ω = dϕ/dz über den Winkel ϕ berechnet werden.

Der Umrichter 11 berechnet hier aus dem aktuellen Winkel ϕ die Winkelgeschwindigkeit in Grad/tick und aus der zeit­ lichen Änderung die Clock-Zeit und aus der Winkelgeschwin­ digkeit in Grad/tick die aktuelle Winkeländerung in Grad. Die Kummulierung all dieser Winkeländerung ergibt den aktuellen Sollwinkel ϕ.

Bei dieser dritten Methode wird also die Drehgeschwindig­ keit des Phasenwinkels in Abhängigkeit vom Ort ω(ϕ) dar­ gestellt. Durch die Verwendung von synchronen Linearan­ trieben kann dabei die Lage des längs des Sekundärteils fortbewegten Primärteils (im Falle einer Folienreckanlage in Form von Kluppenwagen) mit ausreichender Genauigkeit mit der Position der Magnetwelle gleichgesetzt werden, da die Pole der Permanentmagneten des Sekundärteils (Kluppe) mit der elektromagnetischen Welle des Primärteils konform gehen. Aus theoretischer Sicht erscheint die Verwendung von ω(ϕ) gegenüber den beiden vorstehend genannten Varianten weniger vorteilhaft, da (p selbst wieder eine Funktion der Zeit z ist. In der Praxis ist diese ortsabhängige Betrach­ tung jedoch sinnvoll, da bei der Bedienung der Anlage für einen bestimmten Ort oder für einen bestimmten Bereich (und nicht für einen Zeitabschnitt) ein bestimmtes Ge­ schwindigkeitsprofil vorgegeben wird, vorzugsweise in der Form, daß die Geschwindigkeiten relativ zu einer minimalen Geschwindigkeit beispielsweise in Form einer Ausgangs- oder einer Einlaufgeschwindigkeit auf 1 normiert ist.

Auch die Stromstärke wird in dieser dritten Variante in Abhängigkeit von ϕ dargestellt.

Nachfolgend soll auf die Änderung des Takts des Masterclock-Generators 21 eingegangen werden, die dann durchgeführt wird, wenn eine Änderung der Antriebsge­ schwindigkeit längs des Linearsynchronmotor-Systems be­ wirkt werden soll.

Im Fall einer Änderung des Masterclock-Taktes wird diese über die Datenbusstruktur 23 den einzelnen Umrichtern 11 und dabei wiederum den einzelnen umrichterseitigen Zeit­ taktgebern 13 übermittelt. Beim Eintreffen eines entspre­ chenden Masterclock-Takt-Telegrammes bei den umrichtersei­ tigen Zeittaktgebern 13 würde dann eine Differenz zwischen den umrichterseitigen Clock-Takt und dem Masterclock fest­ gestellt werden, was an sich eine abrupte Korrektur im umrichterseitigen Zeittakt 13 zur Folge hätte.

Anhand von Fig. 2 wird erläutert, wie eine weniger abrup­ te Korrektur umrichterseitig vorgenommen werden kann.

Dabei ist in Fig. 2 ein Diagramm dargestellt, auf dessen X-Achse die Zeitachsenperiode t/t_T und auf dessen Y-Achse die maximale Taktzeit t_max eines Clock-Generators 13 wie­ dergegeben ist.

Darin ist eine sägezahnförmige Zeittaktkurve für den Masterclock-Generator eingezeichnet, der in diesem Aus­ führungsbeispiel von einer zunächst eingestellten größeren Taktzeit T auf eine steiler ansteigende kürzere Taktzeit T umgestellt wird.

Eine Anpassung erfolgt nunmehr in den Umrichtern 11 in Abhängigkeit eines Intervalls t_T derart, daß der Masterclock-Zeittakt zeitlich äquidistant in dem umrich­ terseitigen Zeittaktgeber 13 angepaßt wird. Während also zum Zeitpunkt 1 bereits der Masterclock-Zeittakt ansteigt, startet der umrichterseitige Zeittakt erst zur Intervall­ phase 2. Die Änderung des Masterclock-Zeittaktes erfolgt im Ausführungsbeispiel in der zweiten Zeittaktphase, also zwischen t₂ und t₃. Die entsprechenden Zeitwerte T2 und T3 des Masterclock-Zeittaktes werden im Umrichter 11 um die erwähnte Intervallzeit t_T versetztliegend erreicht, wobei die Zeittaktstrecke zwischen den Werten T2 und T3 bezogen auf den Slave-Clock-Takt linear interpoliert wird. D.h. die abrupte Änderung in der Zeittaktkurve zwischen den Werten T2 und T3 bei dem Masterclock-Takt wird "gemil­ dert". Mit anderen Worten werden die Zeittakte in den umrichterseitigen Zeittaktgebern 13 um die Intervall zeit t_T später abgearbeitet, als die entsprechenden Zeittakt­ werte des Masterclocks. Die im n-ten Datentelegramm vom Masterclock-Generator empfangenen Werte werden erst beim Eintreffen des (n+1)-ten empfangenen Daten-Telegramms erreicht.

Nachfolgend wird noch auf eine Änderung des Phasenprofils im Umrichter eingegangen.

Eine Änderung des Geschwindigkeitsprofils von einem so­ genannten "alten Profil" auf ein "neues Profil" bei lau­ fendem System bedingt eine Änderung der Phasenprofile aller Umrichter 11. Dieser Übergang soll aber nicht schlagartig erfolgen, da die betreffenden Sekundärteile durch einen Ausgleichsvorgang (Transition) auf ihre neue Position gebracht werden. Während dieses Übergangszeitrau­ mes muß von daher ein betreffendes sich in einer betref­ fenden Zone befindliches Sekundärteil ein spezielles Pha­ senprofil durchlaufen, daß sich sowohl von dem sogenannten "alten Profil" als auch von dem "neuen Profil" unterschei­ det.

Um nicht jedem Umrichter 11 alle Phasenprofile der am Übergang beteiligten Primärteile vorab übermitteln zu müssen (was eine beachtliche Dateninformationsdichte zwi­ schen zentraler Steuerungseinheit 1 und den zugeordneten Umrichtern 11 zur Folge hätte), ist vorgesehen, daß in den einzelnen Umrichtern eine Übergangsfunktion abgespeichert oder entsprechende Daten, beispielsweise von der zentralen Steuerungseinrichtung 1, zuführbar sind, die beispiels­ weise eine lineare Anpassung zwischen beiden Profilen über die Zeit ermöglicht. Aber auch nichtlineare Übergangs­ funktionen sind möglich. Wird die Übergangsfunktion bei allen Umrichtern 11 gleichzeitig gestartet, so genügen die Daten bezüglich des alten Phasenprofils, die Daten be­ züglich des neuen Phasenprofils und die Übergangszeit, um die Synchronität zu bewahren. Anhand dieser Daten kann jeder Umrichter 11 die definierte ihm zugeordnete Über­ gangsfunktion für die Phasenprofile während der Transition berechnen.

Das Ausführungsbeispiel ist für die Fälle erläutert wor­ den, daß für jede Zone ein eigener Umrichter 11 mit den angegebenen Komponenten vorgesehen ist. Es ist aber durch­ aus möglich, daß zumindest zwei Zonen oder mehrere als Gruppen zusammengefaßt sind, die von einem Umrichter ange­ steuert werden, oder dem zumindest gemeinsame Komponenten zugeordnet sind, beispielsweise ein gemeinsamer Slave-Clock-Generator, ein gemeinsamer Profilgenerator, eine gemeinsame Koordinations-Transformationsstufe und/oder eine gemeinsame Stromregelungs-Leistungsstufe.

Claims (16)

1. Steuerungsvorrichtung für linearmotor-getriebene Ein­ richtungen, insbesondere zum Antrieb von Kluppen einer Folienreckanlage, mit den folgenden Merkmalen,

• - mit einer zentralen Steuerungseinrichtung (1) und einer Vielzahl von darüber zumindest mittelbar angesteuerten Umrichtern (11),
• - den Umrichtern (11) ist jeweils zumindest eine Zone (5) eines Primärteils einer Linearmotorstrecke (2) zugeord­ net, in welcher die in der betreffenden Zone (5) vor­ gesehenen Statorwicklungen (7) des Linearmotorantriebes zum Antrieb zumindest eines längs des Primärteiles ver­ fahrbaren Sekundärteiles ansteuerbar sind,
• - über die Umrichter (11) sind die Statorwicklungen (7) in den einzelnen Zonen (5) derart ansteuerbar, daß peri­ odisch durchfahrene Phasenprofile bzw. Geschwindigkeits­ profile jeweils am Ende einer Zone (5) und am Beginn einer nachfolgenden Zone (5) aufeinander abgestimmt sind,
• - jedem Umrichter (11) ist oder Gruppen von mehreren Um­ richtern (11) sind eine separate Rechnereinheit (17, 19) zugeordnet,
• - die Phasenprofile bzw. Geschwindigkeitsprofile sind in Abhängigkeit von Zeittaktsignalen in der jeweiligen Rechnereinheit abgespeichert,
• - in den betreffenden Rechnereinheiten (17, 19) sind aus den Phasenprofil-Daten die entsprechenden Daten zur An­ steuerung der Statorwicklungen (7) in den betreffenden Zonen (5) berechen- und/oder erzeugbar,
  gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale
• - in den Rechnereinheiten der Umrichter (11) ist ein einen Zusammenhang zwischen dem Phasenwinkel, der Stromam­ plitude und den Zeittaktsignalen beschreibendes Phasen­ profil zur Ansteuerung der Statorwicklungen (7) in einer zugehörigen Zone (5) abgespeichert, und
• - eine Synchronisationseinrichtung ist vorgesehen, worüber während des Betriebs die Zeittaktsignale in den Umrich­ tern (11) miteinander synchronisierbar sind.

2. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Synchronisationseinrichtung einen zen­ tralen Clock-Generator (21) in der zentralen Steuerungs­ einrichtung (1) umfaßt.

3. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Änderung der Anlagengeschwindigkeit durch Änderung des in dem zentralen Clock-Generator (21) erzeugten Zeittaktes durchführbar ist.

4. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung des Zeittaktes in dem zentralen Clock-Generator (21) und durch die darüber ver­ änderte Zeittakt-Steuerung in den Umrichtern (11) die Anlagengeschwindigkeit so veränderbar ist, daß das Ge­ schwindigkeitsprofil, mit welchem ein Sekundärteil längs des Primärteiles verfahrbar ist, bezogen auf eine Aus­ gangs- oder Einlaufgeschwindigkeit (v₀) unabhängig vom Absolutwert der Anlagengeschwindigkeit unverändert bleibt.

5. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichter (11) Stromregler aufweisen.

6. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zeitlicher Abgleich der Zeittakt-Synchronisation zwischen dem zentralen Clock-Ge­ nerator (21) in der zentralen Steuerungseinrichtung (1) und den Zeittaktgebern (13) in den Umrichtern (11) zu­ mindest einmal pro Zeitintervall T erfolgt, wobei das Zeitintervall T der minimalen Taktzeit entspricht, mit der zwei aufeinanderfolgende Sekundärteile in eine Zone (5) eintreten.

7. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines von der zentralen Steuerungseinrichtung (1) kommenden Zeittakt-Synchron­ signals in den Umrichtern (11) Zeittaktsignale durch Extrapolation erzeugbar sind.

8. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Umrichtern (11) spätestens bei Änderung der Antriebsgeschwindigkeit in den Linearsynchronmotor- System neue Phasenprofil -Daten zuführ­ bar sind, vorzugsweise von der zentralen Steuerungsein­ richtung (1).

9. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenprofil-Daten zur Erzeugung entsprechender Phasenwinkel- und Stromamplitu­ den-Werte bezogen auf ein Zeittaktsignal zur Ansteuerung der Statorwicklungen (3) in den betreffenden Zonen (5) tabellarisch, vorzugsweise in Form einer Look-up-Tabelle von der zentralen Steuerungseinrichtung (1) zuführbar sind.

10. Elektronische Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenprofil-Daten zeit­ taktabhängig die Daten (z) für die Phasenwinkel ϕ und die Stromamplitude (I) umfassen.

11. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Phasenprofil-Daten zeittaktabhängige Daten in Form der Winkelgeschwindigkeit (ω) und Daten für die Stromamplitude (I) umfassen.

12. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phasenprofil-Daten phasenwinkelabhängige Daten (ϕ) für die Winkelgeschwindigkeit (ω) und die Strom­ amplitude (I) umfassen.

13. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Umrichtern (11), vorzugsweise der in den Umrichtern (11) zugeordneten sepa­ raten Rechnereinheit Übergangsdaten abspeicher- oder vor­ zugsweise über die zentrale Steuerungseinrichtung (1) zuführbar sind, worüber entsprechende Phasenwinkel- und Stromamplituden-Wert bei einer Änderung des Geschwindig­ keitsprofils berechenbar sind.

14. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Berechnung und/oder Änderung des Geschwindigkeitsprofils in der Übergangsfunktion vom bis­ herigen zu einem neuen Geschwindigkeitsprofil vorzugsweise linear in Abhängigkeit der Zeit erfolgt.

15. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, da­ durch gekennzeichnet, daß bei einer Änderung des Geschwin­ digkeitsprofils alle Umrichter (11) von der zentralen Steuerungseinheit (1) so ansteuerbar sind, daß in den Umrichtern (11) die entsprechenden Werte für die Stromam­ plituden und Phasenwinkel für die Stromversorgung der Statorwicklungen (7) gleichzeitig gestartet werden.

16. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Umrichtern (11), insbesondere in den umrichterseitigen Zeittaktgebern (13) berechneten Zeittakte um eine Zeittaktphase (t_T) ge­ genüber einem vorgegebenen Masterclock-Zeittakt verzögert umgesetzt werden.