DE2746886A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung der antriebsgroessen eines elektromotors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regelung der antriebsgroessen eines elektromotors

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DE2746886A1 DE19772746886 DE2746886A DE2746886A1 DE 2746886 A1 DE2746886 A1 DE 2746886A1 DE 19772746886 DE19772746886 DE 19772746886 DE 2746886 A DE2746886 A DE 2746886A DE 2746886 A1 DE2746886 A1 DE 2746886A1
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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Antriebs-
  • grössen eines Elektromotors Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Antriebsgrössen eines Motors durch Steuerung der Energiezufuhr und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Für zahlreiche Anwendungsfälle ist eine Regelung der Drehzahl eines Elektromotors erwünscht. Nur als Beispiele seien genannt Transportvorgänge, bei denen das Anfahren und Abbremsen in einer von der Natur der zu transportierenden Güter bestimmten Weise erfolgen muss, oder ein-, zwei-oder dreidimensionale Bewegungs- oder Positionierungsabläufe, bei denen ein möglichst schneller Bewegungsablauf und ein möglichst genaues Positionieren auf die gewünschte Endstellung angestrebt werden, wobei bei mehrdimensionalen Bewegungsabläufen ausserdem eine genaue Koordinierung der Bewegungen in den verschiedenen Dimensionen notwendig ist.
  • Es ist bekannt, solche Drehzahlregelungen durch Steuerung der Motorbestromung vorzunehmen. Dazu wird die momentane Drehzahl der Motorwelle als Ist-Wert bestimmt und die Bestromung des Elektromotors so gesteuert, dass diese Drehzahl einem als Soll-Wert vorgegebenen zeitlichen Verlauf folgt.
  • Diese bekannte Regelung liefert nur eine Anpassung der Drehzahl und damit der zu regelnden Antriebsgössen an einen bestimmten als Soll-Wert vorgegebenen zeitlichen Verlauf. Eine Optimierung des Bewegungsablaufs durch Anpassung an sich evtl. ändernde Bedingungen, wie z.B.
  • Änderungen der Massenträgheit oder der Reibung des angetriebenen Systems ist nur insoweit möglich, als diese sich ändernden Bedingungen bei der Festlegung des Soll-Wertes berücksichtigt werden. Dies kann unter anderem auch dadurch geschehen, dass der jeweils optimale zeitliche Verlauf des Soll-Wertes durch einen Prozessrechner anhand von Parametern des durch den Motor angetriebenen Bewegungsablaufs festgelegt wird, wobei diese Parameter unabhängig von dem Regelsystem bestimmt werden.
  • Ein weiterer Nachteil der bekannten Regelung besteht darin, dass als einzige Stellgrösse für die Regelung der Drehzahl die im wesentlichen lineare Steuerung der Motorbestromung verwendet wird. Zur Beschleunigung bzw. Erhöhung der Drehzahl wird die Bestromung erhöht, während zur Abbremsung bzw. zur Verringerung der Drehzahl die Bestromung verringert oder sogar umgekehrt wird. Für diese Art der Regelung werden einerseits aufwendige lineare Verstärker im Regelkreis benötigt. Andererseits ist die Positionierung auf eine Stillstandslage bei dieser Regelung ungünstig, da in dieser Stillstandslage die Stellgrösse Null wird und somit praktisch keine Dämpfung vorhanden ist. Dies führt zu einem Einschwingen auf die Stillstandslage und damit zu einer Verzögerung des Positionierungsvorganges.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl eines Elektromotors zu schaffen, die eine selbsttätige Optimierung des zeitlichen Drehzshlverlaufs und damit eine selbsttätige Anpassung an sich ändernde Lastbedingungen, sowie ein schnelles und genaues Positionieren ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Regelung der Drehzahl eines Elektromotors durch Steuerung der Motorbestromung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Winkelstellung der Motorwelle als Ist-Wert digital bestimmt wird, dass aus der zeitlichen änderung der Winkelstellung Winkelgeschwindigkeit und Winkelbesch1eunigung berechnet werden und dass die Motorwelle entsprechend den berechneten Werten auf einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Winkelgeschwindigkeit gesteuert beschleunigt und abgebremst wird.
  • Vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Eirfindungsgemäss wird die Winkelstellung der Motorwelle durch einen digitalen Winkelschrittgeber bestimmt. Aus der zeitlichen Folge der digitalen Abtastsignale des Winkelschrittgebers wird, volzugsweise unter Verwendung eines Mikrocomputers , die Winkelgeschwindigkeit und durch eine weitere Differenzieruii6r die Winkelbeschleunigung berechnet.
  • Der Mikrocomputer steuert nun die Drehzahl der Motorwelle entsprechend diesen berechneten Werten, so dass der zeitliche Verlauf der Drehahl und damit des vom Elektromotor angetriebenen Bewegungsvorgangs optimiert wird, wobei in dem programmierbaren Mikroprozessor gespeicherte Bedingungen eingehalüen werden.
  • Wesentlich ist dabei, dass der Mikrocomputer direkt in den Regelkreis eingeschaltet ist, d.h. die Winkelstellung der Welle als Ist-Wert aufnimmt und daraus die für einen optimalen zeitlichen Verlauf notwendigen Stellgrössen selbsttätig berechnet. Der Mikrocomputer berechnet dazu bereits beim Anlaufen des Motors die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung und aus diesen Werten die an der Abtriebswelle des Motors angreifenden Lastmomente, die durch Massenträgheit, Reibung und dergl. verursacht werden.
  • Aufgrund dieser vom Nikrocomputer während des gesamten Bewegungsablaufes ständig berechneten Werte wird die Beschleunigung und die Abbremsung so gesteuert, dass der optimale zeitliche Verlauf erreicht wird.
  • Das vom rotor auf die zelle ausgeübte Antriebsmoment wird durch den Mikroprozessor beispielsweise so gesteuert, dass die maximale Beschleunigung bei dem vom Mikroprozessor berechneten momentanen an der Abtriebswelle angreifenden Lastmoment erreicht wird. Ebenso kann die Steuerung der Beschleunigung so erfolgen, dass bei dem jeweils bestimmten momentanen Lastmoment ein gewisser Beschleunigungswert zwar erreicht aber nicht überschritten wird. Dies kann beispielsweise bei Transportbewegungen von empfindlichen Gütern erforderlich sein, die zwar möglichst schnell bewegt werden sollen, aber einer zu starken Beschleunigung nicht ausgesetzt werden dürfen.
  • Ebenso kann der Mikroprozessor aus den berechneten Werten der momentanen Winkelgeschwindigkeit und des momentan an der Abtriebswelle angreifenden Massenträgheitsmomentes genau devi Zeitpunkt bestimmen, an welchem ein Abbremsen der Motorwelle einsetzen muss, um die Motorwelle bei einem bestimmten Bremsmoment genau in einer vorgegebenen Winkelstellung zum Stillstand zu bringen. Dies ist für Positionierungsvorgänge entscheidend, da auf diese Weise sowohl ein zu frühes Abbremsen als auch ein Hinaus schwingen über die Stillstandsstellung vermieden wird und die für den Positionierungsvorgang erforderliche Zeit minimal gemacht wird. Das für die Berechnung des Bremsvorganges verwendete Bremsmoment kann beispielsweise das maximal zur Verfügung stehende Bremsmoment sein oder ein vorgegebenes Bremsmoment, das beispielsweise bei empfindlichen Gütern nicht überschritten werden darf.
  • Die vorgegebenen Werte, wie maximale Beschleunigung, maximales Bremsmoment, Stillstandspositionen und dergl. werden in dem programmierbaren Mikroprozessor gespeichert.
  • Durch den in den Regelkreis direkt eingeschalteten Mikroprozessor wird das Regelsystem lernfähig. Das Regelsystem kann sich nämlich aufgrund des jeweils festgestellten Ist-Wert es selbst die Stellgrössen berechnen, die für den weiteren optimalen Ablauf unter den vorgegebenen Bedingungen erforderlich sind. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den bekannten Motorregelungen, bei denen die Stellgrösse nur von fest vorgegebenen Soll-Werten abhängt und eine Anpassung an sich während des Vorgangs ändernde Bedingungen nur durch eine Änderung dieser Soll-Werte möglich ist.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass lediglich zum Beschleunigen des Motors, d.h.
  • zur Erhöhung der Drehzahl die Steuerung der Motorbestromung verwendet wird. Zum Abbremsen d.h. zur Verringerung der Drehzahl wird dagegen eine mechanische Bremse verwendet.
  • Die mechanische Bremse hat auch bei sehr niedriger Drehzahl und insbesondere bei Stillstand der Motorwelle ihr volles Bremsmoment. Das Abbremsen des Motors zum Stillstand erfolgt daher mit Hilfe der mechanischen Bremse sehr schnell und mit hoher Dämpfung. Dies ist insbesondere für Postionierungsvorgänge wichtig, da auf diese Weise die vorgegebene Stillstandsposition schnell und genau erreicht wird. Dadurch wird ein Einschwingen in die Stillstandslage vermieden, wie dies bei der herkömmlichen Motorregelung auftritt, bei der auch das Abbremsen des Motors durch die Steuerung der Bestromung bewirkt wird und bei der daher die Dämpfung in der Stilltandslage minimal ist.
  • An sich ist es auch bei dem erfindungsgemässen Verfahren möglich, die Motorbestromung zur Beschleunigung und die mechanische Bremse zumAbbremsen linear zu steuern. Diese Ausführungsform ist jedoch unwirtschaftlich, da zusät zl ich Digital-zu-Analog-Wandler und aufwendige lineare Verstärker benötigt werden.
  • Erfindungsgemäss wird daher bevorzugt, die Steuerung der Motorbestromung und der Bremsen getaktet durchzuführen.
  • Bei dieser Ausführungsform ist eine unmittelbare Steuerung durch den Mikroprozesor möglich, indem lediglich die Dauer der Motorbestromung und der Bremswirkung vom Mikroprozessor taktweise gesteuert wird.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung kann zusätzlich noch ein synchronisiertes Schaltgetriebe vorgesehen sein, das die Motorwelle mit einer Abtriebswelle kuppelt, an welcher das Lastmoment angreift. Das Umschalten des Schaltgetriebes wird dabei ebenfalls vom Mikroprozessor gesteuert. Der Mikroprozessor berechnet zu jedem Zeitpunkt des Bewegungsablaufes das momentan an der Abtriebswelle bzw. über das ßchaltgetriebe an der Motorwelle angreifende Lastmoment.
  • Dieses Lastmoment besteht beim Anfahren und Abbremsen des Elektromotors beispielsweise überwiegend aus dem Massenträheitsmoment, während beim Lauf des Motors mit konstanter Drehzahl beispielsweise nur ein Reibungsmoment zu überwinden ist. Aufgrund dieses jeweils berechneten momentanen Lastmoments schaltet der Mikroprozessor das synchronisierte Schaltgetriebe auf die tYbersetzung um, die den momentanen Betriebsbedingungen am besten angepasst ist. Durch die vom Mikroprozessor durchgeführte Drehzahlregelung des Motors durch Steuerung der Bestromung und der Abbremsung wird dabei automatisch ein völlig ruckfreies Umschalten bewirkt.
  • Bei Verwendung eines solchen Schaltgetriebes wird der Winkelschrittgeber auf die Abtriebswelle hinter dem Schaltgetriebe gesdzt. Dadurch wird sichergestellt, dass die vom Winkelschrittgeber abgenommenen und dem Mikroprozessor zugeführten Ist-Werte genau dem vom Elektromotor angetriebenen Bewegungsablauf entsprechen. Ein Einfluss des Schaltgetriebes auf die genaue Steuerung des Bewegungsablaufes ist dadurch ausgeschlossen.
  • Bei der Verwendung eines vom Mikroprozessor gesteuerten Schaltgetriebes kann die erfindungsgemässe Vorrichtung zusätzlich mit zwei mechanischen Bremsen ausgestattet sein, von denen eine direkt an der Motorwelle und die andere an der Abtriebswelle angreift Die beiden Bremsen werden dabei getrennt voneinander vom Mikroprozessor gesteuert.
  • Diese Ausführungsform ist zwar aufwendiger, bietet Jedoch folgenden Vorteil. Da das Drehmoment der Motorwelle geringer ist als das Drehmoment der Abtriebswelle kann das Abbremsen direkt an der Motorwelle mit einem geringeren Bremsmoment erfolgen. Das Abbremsen an der Abtriebswelle ist dann im wesentlichen nur noch unmittelbar beim Stillsetzen notwendig, um eine genaue Positionierung der Abtriebswelle bzw. des von der Abtriebswelle angetriebenen Bewegungsablaufes zu erhalten.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert, deren einzige Figur schematisch eine Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl eines Elektromotors gemäss der Erfindung zeigt.
  • Der Antrieb eines zu steuernden Bewegungsvorganges erfolgt durch einen Elektromotor 10. Vorzugsweise ist dies ein Gleichstrommotor. Die Motorwelle 12 ist über ein synchronisiertes Schaltgetriebe 14 mit einer Abtriebswelle 16 gekuppelt. Auf der Motorwelle 12 sitzt weiter eine mechanische Bremse 18.
  • Eine weitere mechanische Bremse 20 ist auf der Abtriebswelle 16 vorgesehen. Schliesslich befindet sich auf der Abtribswelle 16 ein Absolut-Winkelschrittgeber 22.
  • Der Winkelschrittgeber 22 wird fotoelektrisch abgetastet und gibt in codierter Form die exakte Winkelstellung der Abtriebswelle 16 als Ausgangssignal wieder.
  • Dieses Ausgangssignal des Winkelschrittgebers 22 wird einem programmierbaren Mikroprozessor 24 zugeführt. Der Mikroprozessor 24 berechnet aufgrund dieser Winkelpositionen und ihrer zeitlichen Änderung die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung der Abtriebswelle 16 sowie aus diesen Werten das an diesgsbtriebswelle angreifende Lastmoment.
  • Aufgrund dieser berechneten Werte steuert der Mikroprozessor 24 getaktet die Bestromung des Elektromotors lo zur Beschleigung der Winkelgeschwindigkeit und getaktet die Bremse 18 zur Verringerung der Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle 16. Zum Stillsetzen der Abtriebswelle 16 wird vom Mikroprozessor 24 die Bremse 20 angesteuert.
  • Das Schaltgetriebe 14 wird vom Mikroprozessor 24 angesteuert, um Jeweils den günstigsten Ubersetzungsbereich zur Anpassung des Drehmomentes der Abtriebswelle 16 an das vom Mikroprozessor berechnete momentane Lastmoment zu schalten.
  • Die Steuerung der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung der Abtriebswelle 16 sowie das Stillsetzen der Abtriebswelle 16 erfolgt aufgrund von in dem Mikroprozessor 24 gespeicherten Bedingungen. Durch diese Bedingungen wird der gewünschte durch den Elektromotor gesteuerte Bewegungsablauf festgelegt, z.B. die maximale zulässige positive oder negative Beschleunigung, die Winkelpositionen, in welchen die Abtriebswelle 16 stillgesetzt werden soll und dergl. Der Mikroprozessor 24 ermittelt dabei selbsttätig, in welcher Weise Beschleunigung und Abbremsung erfolgen müssen, um diesen vorgegebenen Bewegungsablauf in der kürzesten Zeit durchzuführen.
  • Der Mikroprozessor 24 kann ausserdem einen weiteren Eingang 26 aufweisen, über welchen er von einem übergeordneten Rechner gesteuert werden kann. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn eine mehrdimensionale Bewegung durch mehrere koordiniert gesteuerte Elektromotoren 10 ausgeführt werden soll.
  • L e e r s e i t e

Claims (10)

  1. P k E N rr A N S P R U 0 II E rerfahren zur Regelung der Antriebsgrössen eines Elektromotors durch Steuerung der Motorbestromung, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung der Motorwelle als Ist-Wert digital bestimmt wird, dass aus der zeitlichen Änderung der Winkelstellung Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung berechnet werden und dass die Motorwelle entsprechend den berechneten Werten auf einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Antriebsgrössen gesteuert beschleunigt und abgebremst wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung die Motorbestromung gesteuert wird und zur Abbremsung die Motorwelle gesteuert mechanisch abgebremst wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzechnet, dass die Motorbestromung .,nd die mechanische Abbremsung getaktet gesteuert werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorbestromung und die mechanische Abbremsung analog gesteuert werden.
  5. 5. Vorrichtung zur Regelung der Antriebsgrössen eines Elektromotors nach dem Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit der Welle (12 bzw. 16) des Elektromotors (1o) gekoppelten digitalen Winkelschrittgeber (22), durch eine an dieser Welle angreifende mechanische Bremse (18, 20) und durch einen programmierbaren Rechner (24), dem die Ausgangssignale des Winkelschrittgebers als Eingangswert zugeführt werden und durch dessen Ausgangswerte die Motorbestromung und die Bremse steuerbar sind.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der programmierbare Rechner (24) ein Mikrocomputer ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (12) des Elektromotors (lo) über ein synchronisiertes Schaltgetriebe (14) mit einer Abtriebswelle (16) gekuppelt ist, wobei das Schaltgetriebe durch einen Ausgangswert des Rechners (24) umschaltbar ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel schi ttgeber (22) direkt mit der Abtriebswelle (16) gekoppelt ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei mechanische Bremsen (18,20) vorgesehen sind, von denen eine (18) an der Welle (12) des Elektromotors (lo) und die andere (20) an der Abtriebswelle (16) angreift.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Bremsen (18,20) durch den Rechner (24) getrennt steuerbar sind.
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