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Verfahren zur adaptiven Steuerung von Stellantrieben
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur adaptiven Steuerung
von Stellantrieben mit Elektromotor und mechanischem Getriebe.
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Bei elektromotorischen Stellantrieben für Regelzwecke werden die Motoren
bei Stellzeiten unterhalb 30 sec üblicherweise mit Thyristoren angesteuert und elektronisch
gebremst.
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Bei Stellantrieben mit Stellzeiten über 30 sec sind heute überwiegend
elektromechanische Bremsen eingesetzt, um einen unkontrollierbaren, vom Lastmoment
abhängigen Nachlauf zu vermeiden.
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Da diese mechanischen Bremseinrichtungen jedoch einem Verschleiß unterworfen
sind und gewartet werden müssen, besteht die Aufgabe, insbesondere für größere elektromotorische
Stellantriebe, ein Verfahren zur adaptiven Steuerung zu entwickeln, mit Hilfe dessen
auf eine eigentliche Bremseinrichtung verzichtet werden kann und in welchem keine
mechanischen Verschleißteile mehr verwendet werdtnn müssen.
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Eine Lösung der Aufgabe wird in einem Verfahren zur adaptiven Steuerung
von Stellantrieben mit Elektromotor und mechanischem Getriebe gesehen, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß bei jeder Verstellung folgende elektrische Signale gewonnen
und gespeichert werden: Signal L, repräsentativ für die Getriebelose, insbesondere
bei Drehrichtungsumkehr, vom Einschalten des Motors oder vom Bewegungsbeginn der
Motorwelle bis zum Bewegungsbeginn des Stellglieds oder eines der mechanischen Ubertragungsglieder;
Signal N, repräsentativ für den Nachlauf vom Abschalten des Motors bis zum Stillstand
des Stellglieds oder eines der mechanischen Ubertragungsglieder; und daß bei Jeder
Verstellung um ein Stellinkrement
ty aus den zwei, bei der vorhergehenden
Verstellung gewonnenen und gespeicherten Signalen L1 und N1 die Einschaltdauer T2
des Motors berechnet wird nach der Beziehung T2 = L1 + D - N1, wobei Signal D repräsentativ
ist für die von iaar| abhängige Verstellung. Die Signale können auf analoge oder
digitale Weise gewonnen und gespeichert werden.
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Mit diesen Verfahren können sehr schnelle Antriebe mit sehr kurzen
Stellzeiten ohne eine Bremseinrichtung verwirklicht werden, womit schnelle Regelstrecken,
z. B. Druckregelung, gut zu beherrschen sind. Die Lose in den Getrieben zwischen
dem schnellaufenden Stellmotor und dem langsamlaufenden Stellglied, die sich bisher
immer sehr störend bemerkbar machte, ist nunmehr ohne Einfluß, es ist somit auch
möglich, von vornherein Getriebe mit gröberer Lose einzusetzen und so den fertigungstechnischen
Aufwand erheblich zu verringern.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Signale
als weg- bzw. drehwinkelabhängige elektrische Größen dargestellt, wobei Lu die Anzahl
der Umdrehungen des Motors zum Durchlaufen der Getriebelose, Nu die Anzahl der Umdrehungen
des Nachlaufs und Du die errechnete Anzahl von Umdrehungen zum Durchlaufen von |AYI
, bezogen auf die Anzahl von Umdrehungen zum Durchlaufen des Stellbereichs Yh sind.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist es möglich, insbesondere
bei großen Verstellungen und/oder bei nicht konstantem Lastmoment, die Verstellung
in zwei Schritten vorzunehmen, wobei der zweite Schritt beginnt, wenn die Verstellung
einen Wert erreicht hat, welcher kleiner oder gleich 10 % des Stellbereichs ist.
Gleichzeitig kann auch eine Umschaltung auf eine langsamere Stellgeschwindigkeit
vorgenommen werden, so daß der vorgegebene Stellungssollwert sehr genau und ohne
Überschwingung zu erreichen ist.
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Bei der Verwendung von selbsthemmenden Getrieben vereinfacht sich
das angegebene Verfahren insofern, als das der Getriebelose entsprechende Signal
L nur bei Drehrichtungsumkehr zu berücksichtigen ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 und 3 Ausführungsmöglichkeiten
des Verfahrens anhand von Signalflußplänen dargestellt, in den Figuren 2 und 4 sind
Funktionsdiagramme dargestellt.
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Figur 1: Ein Stellantrieb besteht aus dem Elektromotor 1, der auf
ein mechanisches Übersetzungsgetriebe 2 mit der Ubersetzung Ü arbeitet, wobei unter
dem Getriebe 2 sämtliche zwischen Motor und dem eigentlichen Stellglied liegende
mechanische Ubertragungsglieder zu verstehen sind. Zum Einschalten des Motors 1
ist der Kraftschalter 3 vorgesehen.
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Die adaptive Steuerung soll bei diesem Beispiel in der bevorzugten
Weise durch Darstellung der Signale für Getriebelose und Nachlauf als weg- bzw.
drehwinkelabhängige elektrische Größen durchgeführt werden. Dazu ist ein Wandler
4 vorgesehen, der die Umdrehungen u der Motorwelle in ein elektrisches Signal, beispielsweise
in Impulse, umsetzt. Ein weiterer Wandler 5 setzt die Umdrehungen der Abtriebswelle
6 des Getriebes 2 ebenfalls in elektrische Impulse um. Da die Abtriebswelle 6 bei
elektromotorischen Stellantrieben in der Regel nur einen Bruchteil einer Umdrehung
ausführt, um das Stellglied über den Stellbereich zu führen, kann der Wandler 5
auch als Winkelcodierer ausgebildet sein.
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Ein Stellinkrement Ay, das eine Verstellung des Stellglieds bewirken
soll, wird einem Funktionsgeber 7 zugeführt, dem als weitere Eingangsgröße die Konstante
u/Yh, das ist die Anzahl von Umdrehungen zum Durchlaufen des Stellbereichs Yh, aufgeschaltet
ist. In dem Funktionsgeber 7 wird der Term Du errechnet, das ist die Anzahl von
Umdrehungen zum Durchlaufen von hy, bezogen auf u/Y. Das Ausgangssignal des Funktionsgebers
7 wird der Rechen-und Steuerschaltung 8 zugeführt, welche einen Einschaltimpuls
auf den Kraftschalter 3 gibt und so den Motor 1 in Gang setzt.
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Zur Bildung des Terms Lu, das ist die Anzahl der Umdrehungen des Motors
zum Durchlaufen der Getriebelose, ist ein weiterer Funktionsgeber 9 vorgesehen,
der mit Bewegungsbeginn der Motorwelle über den Wandler 4 eingeschaltet und mit
Bewegungsbeginn der Abtriebswelle 6 über den Wandler 5 ausgeschaltet wird. Die dem
Term Lu entsprechenden elektrischen Impulse werden dem einen eines
dem
Funktionsgeber 9 nachgeschalteten Speicherpaars 10 und 10' zugeführt, während der
parallelliegende Speicher, welcher den Wert Lu aus der vorhergehenden Verstellung
enthält, mit der Steuer- und Rechenschaltung 8 verbunden ist.
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Ein weiterer Funktionsgeber 11 dient zur Bildung des Terms Nu, das
ist die Anzahl der Umdrehungen des Nachlaufs. Der Funktionsgeber 11 wird zum Abschaltzeitpunkt
des Motors 1 eingeschaltet und bei Stillstand der Motorwelle ausgeschaltet. Auf
den Funktionsgeber 11 folgen ebenfalls zwei wechselweise umschaltbare Speicher 12
und 12', die, wie bereits bei den Speichern 10 und 10' beschrieben, mit der Steuer-
und Rechenschaltung 8 verbunden werden, so daß in dieser die zum Durchlaufen einer
vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen u zur Verstellung des Stellglieds um das Stellinkrement
zy benötigte Einschaltdauer Tu errechnet werden kann nach der Beziehung Tu =Lu +Du
~ Nu Mit dem von der Steuer- und Rechenschaltung 8 ausgehenden Abschaltimpuls werden
die Ein- und Ausgänge der Speicherpaare 10, 10', 12, 12 zeitverzögert umgeschaltet,
wobei die Zeitverzögerung von der Beendigung des Nachlaufs abhängig gemacht wird.
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In Figur 2 ist das Steuerverfahren graphisch dargestellt mit der Stellgröße
y über den Umdrehungen u der Motorwelle.
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Man erkennt, daß beim Auftreten des Stellinkrements + ay die auf Umdrehungen
u der Motorwelle bezogene Einschaltdauer TU2 des Motors beginnt. Während des Durchlaufens
der Getriebelose, deren elektrisches Signal LU1 aus der vorhergehenden Verstellung
gespeichert war, beginnt die eigentliche Verstellung des Stellgliedes mit Du als
eine von ay abhängige Größe, von der der aus der vorigen Verstellung gespeicherte
Nachlauf N ab gezogen wird und das Ende der Einschaltdauer TU2 ergibt. Während dieses
Verstellschritts sind die sich dabei ergebenden neuen Größen LU2 und NU2 in die
mit den Funktionsgebern verbundenen Speicher eingelesen worden, so daß sie bei einem
neuerlichen Stellschritt - hy in Gegenrichtung, wie angedeutet, zur Berechnung der
Einschaltdauer Tu3 herangezogen werden können.
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fie aus den angegebenen Verfahrensschritten zu erkennen ist, braucht
der Anlaufvorgang des Motors bei der Beziehung auf die Umdrehungen nicht berücksichtigt
werden, auch die Drehzahl des Motors braucht nicht konstant zu sein. Zeitliche Änderungen
des Nachlaufs, z. B. durch Temperaturänderung des Getriebeöls, werden fortlaufend
berücksichtigt, ebenso Änderungen desLosebereichs, die beispielsweise durch Verschleiß
bedingt sind.
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Falls aus konstruktiven Gegebenheiten Lose und Nachlauf für die beiden
Drehrichtungen unterschiedlich sind, können die genannten Verfahrensschritte für
jede Drehrichtung für sich durchgeführt werden.
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In Figur 3 ist der Signalfluß einer anderen Ausführungsart des Verfahrens
dargestellt, bei der die Einschaltdauer T des Motors 1 zeitlich bezogen ist.
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Der Stellantrieb besteht wieder, wie in dem vorhergehenden Beispiel
aus dem Motor 1, dem Getriebe 2 mit der Abtriebswelle 6 und einem von dieser betriebenen
Wandler 5, welcher den Drehwinkel in ein elektrisches Signal umwandelt. In dem Funktionsgeber
7 wird aus dem Stellinkrement ty und einer der Stellzeit Ty entsprechenden Konstanten
der Term Dt gebildet als Funktion des Produkts oy Ty. Der Term Lt, das ist die Zeitdauer
zum Durchlaufen der nretriebelose, wird in dem Funktionsgeber 9 gebildet, beispielsweise
als Ladespannung für einen Integrator, die während dem von der Schalterstellung
des Kraftschalters 3 abgeleiteten Einschaltzeitpunkt des Motors und dem vom Wandler
5 abgeleiteten Zeitpunkt des Bewegungsbeginns der Abtriebswelle 6 wirksam ist. Der
den Nach]auf repräsentierende Term Nt wird in dem Funktionsgeber 11 gebildet, der
vom Zeitpunkt der Abschaltung des Motors, abgeleitet aus der Ausschaltstellung des
Kraftschalters 3 und dem Zeitpunkt des Stillstands der Abtriebswelle 6, ebenfalls
einen Speicher lädt.
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Die Speicheranordnung 10, 10' und 12, 12' entspricht im übrigen dem
vorhergehenden Beispiel. Im Rechen- und Steuerwerk wird die Einschaltdauer Tt2 mit
den Werten Lt1 und Nt1 aus dem vorhergehenden Stellschritt sowie dem Term Dt als
Funktion von by in der bereits allgemein angegebenen Weise errechnet.
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Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zum analogen Betrieb, da
sich die Schaltung mit relativ einfachen Mitteln aufbauen läßt, unter der Voraussetzung,
daß die Anlaufzeit des Motors bis zum Erreichen der Nenndrehzahl vernachlässigbar
klein oder konstant ist.
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Bei großen Verstellungen und/oder nichtkonstantem Lastmoment des Stellglieds
kann die Verstellung auch in zwei Schritten vorgenommen werden, wie es in dem Diagramm
der Figur 4 dargestellt ist.
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Es wird in der bereits bekannten Weise der Term D21 für den ersten
Schaltschritt ermittelt, der beim Erreichen eines Wertes der Stellgröße, die der
Differenz ay - k . Yh entspricht, wobei k kleiner oder gleich 0,1 ist, also hier
etwa 10 % des Stellbereichs entspricht. Aus den gespeicherten Werten L1 und N1 sowie
dem 8:lernt D21 ergibt sich die Einschaltdauer T21 für den ersten Stellschritt,
die zweite Einschaltung mit der Dauer T22 läßt den Stellantrieb über den Restweg
laufen, wo angenommen werden kann, daß das Lastmoment konstant bleibt. Da bei der
Verstellung in gleicher Richtung eine Getriebelose nicht zu durchlaufen ist, schließt
sich an die Teilverstellung D21 die weitere Teilverstellung D22 nahtlos an. Gleichzeitig
kann eine Umschaltung des Stellmotors auf niedrigere Drehzahlen, beispielsweise
durch Polumschaltung, stattfinden, versinnbildlicht durch den kleineren Gradienten
des Kurvenstücks des zweiten Stellschritts, so daß ein sehr genaues Einlaufen der
Stellgröße in den vorgegebenen Sollwert erreicht werden kann. Für die beiden Einschaltungen
T21 und T22 sind dann die Verfahrensschritte getrennt vorzunehmen, wie es durch
Einführung des Nachlaufwerts N12 aus dem vorhergehenden zweiten Stellschritt angedeutet
ist.
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Bei kleinen Stellinkrementen Qy, deren Betrag innerhalb der Größe
k . Yh liegt, wird die Verstellung nur mit der kleinen Drehzahl vorgenommen.
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Es lassen sich mit diesen Steuerungsverfahren Stellantriebe mit kleiner
Stellzeit und hohem Auflösungsvermögen (Stellgenauigkeit), ohne die bisher übliche
Bremseinrichtung betreiben.
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7 Patentansprüche 4 Figuren
L e e r s e i t e