DE3741133C1 - Antriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, insbe­ sondere für fördertechnische Zwecke und Torantriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Antriebstechnik ist es häufig erforderlich, den Übergang vom Stand in die gewünschte Arbeitsgeschwindig­ keit möglichst sanft, also ohne plötzliche Beschleuni­ gungsspitzen, zu gestalten. Dies gilt sowohl für die po­ sitive Beschleunigung beim Anfahren der Antriebs­ vorrichtung, als auch für die negative Beschleunigung, wenn die Vorrichtung angehalten wird.

Die Erfindung richtet sich insbesondere auf Anwendungs­ fälle, bei denen für verhältnismäßig kurze Zeit große An­ triebs- und Bremskräfte benötigt werden (Kurzzeitbetrieb). Im Bereich der Fördertechnik gehören hierzu beispielsweise Aufzüge und Aktenpaternoster.

Ein sanftes Abbremsen läßt sich mit Hilfe einer Motor- Drehzahlregelung erreichen. Für die beschriebenen Anwen­ dungszwecke werden insbesondere Asynchronmotoren, vor allem Kurzschlußläufermotoren, eingesetzt. Da ihre Drehzahl sich weitgehend steif mit der Antriebsfrequenz ändert, können diese Motoren mit Hilfe eines vorgeschalteten Frequenzumfor­ mers sehr genau und mit hohen Bremskräften geregelt werden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, insbesondere wenn Motoren mit mittleren bis größeren Leistungen oberhalb etwa 0,2 kW eingesetzt werden. Eine Alternative ist die Ver­ wendung eines Drehstromstellers zum Antreiben und die Ein­ speisung von Gleichstrom in die Motorwicklung zum Bremsen. Diese Lösung erfordert jedoch ebenfalls einen großen schal­ tungstechnischen Aufwand.

Für den Fall eines Rolltreppenantriebs ist in den US-Patent­ schriften 46 00 865 und 44 82 853 die Möglichkeit beschrie­ ben, eine mit dem Elektromotor gekoppelte Bremse zu verwen­ den, um ein sanftes Abbremsen zu erreichen. Dabei ist ein Drehzahlistwertgeber vorgesehen. Eine Drehzahlregelung re­ gelt die Energieversorgung der Bremswicklung in Abhängig­ keit von dem Signal des Drehzahlistwertgebers und eines Soll­ wertgebers, der ein rampenförmig ansteigendes und abfallen­ des Signal erzeugt.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die so­ wohl bei bremsender als auch bei schiebender (beschleunigen­ der) Last ein zielgenaues Abbremsen und ein definiertes, sanftes Beschleunigen sicherstellt.

Die Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung gemäß An­ spruch 1 gelöst.

Für den Fall eines Kupplungs-Brems-Antriebs ist eine gemein­ same Regelung der Kupplungs-Betätigung und der Bremsbetäti­ gung aus der Publikation: Reinecke: "Varistop ein neuer Po­ sitionierantrieb für Industrienähmaschinen" in "Bekleidung und Wäsche", Heft 7, 1970, S. 466-470 bekannt.

Die erfindungsgemäße Lösung ist mit geringem Aufwand zu realisieren. Dies gilt vor allem bei solchen Anwendungsfällen, bei denen auch bisher schon eine elektromagnetisch gelüftete Federdruckbremse verwendet wurde, die mit dem Elektromotor gekoppelt ist.

Derartige Antriebsvorrichtungen werden beispielsweise bei Aufzügen benutzt, wobei die Federdruckbremse als Sicherheits­ bremse dient, um den Aufzug auch bei Stromausfall festzuhal­ ten. Die reibenden Elemente der Bremse werden im stromlosen Zustand von der Feder gegeneinander gedrückt. Zum Lösen dient ein elektromagnetischer Antrieb mit einer Wicklung. In ihrem Magnetfeld bewegt sich ein Kern, der mit einem der reibenden Elemente der Bremse, üblicherweise einem auf eine Bremsschei­ be wirkenden Bremsklotz gekoppelt ist. Derartige Bremsen wer­ den beispielsweise von der Firma Karl E. Brinkmann GmbH., Barntrup, Bundesrepublik Deutschland, vertrieben.

Die Federdruckbremsen werden üblicherweise im reinen Ein- Aus-Betrieb eingesetzt. Im stromlosen Zustand der Bremswick­ lung wirkt die volle Bremskraft. Im stromführenden Zustand dagegen ist die Bremse vollständig gelöst ("gelüftet").

Entsprechend setzt die Bremswirkung plötzlich ein, so daß kein sanftes Abbremsen erreicht wird. Der erfindungsgemäße Antrieb ermöglicht ein sanftes Abbremsen, ohne daß die Not­ haltefunktion der Bremse beeinträchtigt wird.

Die erfindungsgemäße Drehzahlregelung kann auch beim Beschleunigen der Antriebsbewegung erfolgreich eingesetzt werden, um ein besonders sanftes Anfahren der Antriebs­ vorrichtung zu erreichen.

Das Regelungsverhalten läßt sich im angesprochenen Sinne durch eine Reihe bevorzugter Maßnahmen weiter verbessern, die einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können.

Als Drehzahl-Istwertgeber kann ein Analoggeber (Tachogene­ rator) eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist jedoch ein Digitalgeber, beispielsweise in Form einer Schlitz­ scheibe, die sich in einer Lichtschranke dreht. Bevorzugt sollte ein digitaler Drehzahl-Istwertgeber mindestens 500 Impulse/sec erzeugen. Dies entspricht bei einem zweipoligen Asynchronmotor, der bei 50 Hz Netzfrequenz mit 3000 Um­ drehungen/min läuft, mindestens 10 Impulsen pro Umdrehung.

Bei einem vierpoligen Motor, der nur mit halber Drehzahl läuft, sollten doppelt so viel Impulse pro Umdrehung erzeugt werden. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn der digitale Drehzahlgeber mindestens 2000 Impulse/sec bei Normalgeschwindigkeit des Motors erzeugt.

Die Bremswicklung wird vorzugsweise mit Gleichstrom gespeist. Dabei ist auf eine geringe Restwelligkeit der Spannungs­ versorgung zu achten. Sie sollte vorzugsweise unter 5% liegen. Dabei ist es vorteilhaft, die Versorgungs­ spannung durch Drehstromgleichrichtung zu erzeugen. Spannungsspitzen sollten verzögerungsfrei geglättet werden. Dies kann z. B. durch Abschneiden des Oberwellen­ anteils mit Hilfe bekannter elektronischer Bauelemente oder bei großen Leistungen durch einen geregelten Hoch­ setzsteller erfolgen.

Von erheblichem Einfluß auf das Regelverhalten ist auch die Zeitkonstante T im Spannungsversorgungskreis der Bremswicklung. Sie wird im wesentlichen durch die Induk­ tivität L der Bremswicklung und den Ohm'schen Widerstand R im Spannungsversorgungskreis gebildet, der sich wiederum aus dem Innenwiderstand der Bremswicklung und externen ohm'schen Widerständen zusammensetzt. Die Zeitkonstante läßt sich in bekannter Weise gemäß T = L/R berechnen.

Der Innenwiderstand der Bremswicklung und ihre Induktivität stehen in engem Zusammenhang mit der Nennbremslast, auf die die Bremse ausgelegt ist. Bei gegebener Dimensionierung der Bremsteile wird diese nämlich durch die Andruckkraft der Feder bestimmt. Die Wicklung wiederum muß so ausgelegt sein, daß bei der Wicklungs- Versorgungspannung, für die die Bremse ausgelegt ist, die Bremse gelüftet wird. Um eine ausreichende Feldstärke der Wicklung sicherzustellen, darf der Innenwiderstand der Wicklung nicht zu groß und ihre Induktivität nicht zu klein sein.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß es zweckmäßig ist, mit einem gegenüber dieser ausschließ­ lich nach bremstechnischen Gesichtspunkten vorgenommenen Dimensionierung erhöhten ohm'schen Widerstand zu arbeiten.

Er sollte soweit erhöht sein, daß die Zeitkonstante min­ destens 30%, bevorzugt mindestens 50% kleiner ist als die Zeitkonstante bei Nennbremslast ohne erhöhten Wider­ stand. Dies läßt sich durch einen geeigneten Vorwiderstand im Spannungsversorgungskreis oder durch Erhöhung des Innen­ widerstandes der Wicklung erreichen.

Durch die kleine Zeitkonstante wird auch sichergestellt, daß eine evtl. Verlängerung der Ansprechzeit der Bremse durch die in ihrer Spannungsversorgung enthaltenen Funkentstör- und Glättkondensatoren ausgeglichen wird. Dadurch ist auch die Nothaltefunktion uneingeschränkt gewährleistet.

Bei einer knapp dimensionierten Bremse könnte der Spannungsabfall an dem Vorwiderstand bzw. der durch den erhöhten Widerstand reduzierte Stromfluß dazu führen, daß die Bremse nicht mehr vollständig gelüftet wird. Dies läßt sich vermeiden, indem mit einer erhöhten Ausgangsspannung gearbeitet und/oder eine an sich überdimensionierte Bremse verwendet wird, bei der durch Reduzierung der Andruckkraft der Feder mit einem gegenüber dem Nennbremsmoment reduzierten Bremsmoment gearbeitet wird. Die Verwendung einer über­ dimensionierten Federdruckbremse erweist sich darüber hinaus auch als vorteilhaft für das Dauerbetriebsverhalten der Antriebsvorrichtung.

Weiterhin ist für das Regelverhalten wichtig, daß die Hysterese des Bremsregelkreises klein ist. Hierzu ist darauf zu achten, daß der Luftspalt zwischen den reibenden Elementen relativ klein ist. Im Falle einer Bremse mit bis zu 16 Nm Bremsmoment sollte der Luftspalt unter 0,3 mm liegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher er­ läutert; es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungs­ form der Erfindung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Drehzahlregelung.

Ein Drehstromasynchronmotor 10 ist über symbolisch darge­ stellte Kopplungselemente 12 und 14 mit einer elektro­ magnetisch gelüfteten Federdruckbremse 16 und einem Dreh­ zahl-Istwertgeber 18 gekoppelt. Als Drehzahl-Istwertgeber wird vorzugsweise eine Schlitzscheibe mit einer aus einer Leuchtdiode und einem Fotoempfänger bestehenden Licht­ schranke verwendet. In der Praxis sitzt die Nabe der Feder­ druckbremse unmittelbar auf der Motorachse. Auch die Schlitz­ scheibe des Istwertgebers 18 ist auf der gleichen Achse angebracht.

Der Motor wird aus einem Drehstromnetz über Phasenleitungen 20 a, 20 b und 20 c und den Nulleiter 22 versorgt. Die Ver­ sorgungsleitungen sind über einen Schaltschütz 24 schaltbar, der von einem Startschalter 26 betätigt werden kann.

Die insgesamt mit 30 bezeichnete Drehzahlregelung umfaßt den Drehzahl-Istwertgeber 18, einen Digital-Analogwandler 32, einen Sollwertgeber 34, einen Proportional-Integralregler (PI-Regler) 36 mit Steuerlogik 37, einen Drehstromregler 38 und die insgesamt mit 40 bezeichnete Spannungsversorgung für die Wicklung 16 a der Federdruckbremse 16. Die Spannungsver­ sorgung 40 umfaßt ein Bremsstellglied 42, einen Drehstrom­ gleichrichter 44 und einen in Reihe mit der Wicklung 16 a geschalteten Vorwiderstand 46.

Zur Anpassung der Verstärkung und des Regelverhaltens des PI-Reglers 36 an die Erfordernisse der Bremse 16 und ihrer Spannungsversorgung 40 ist eine Anpassungsschaltung 43 vor­ gesehen.

Die Elemente der Regelung sind über Steuerleitungen mit­ einander verbunden. Weitere für den Fachmann ohne weiteres selbstverständliche Einzelheiten, wie beispielsweise die Niederspannungsversorgung für die Elektronik und die zur Funkenstörung notwendigen Elemente sind der Übersichtlich­ keit halber nicht dargestellt.

Die Funktion der Vorrichtung wird im folgenden anhand von Fig. 2 näher erläutert. Grundlage ist dabei ein typischer Verlauf eines Regelzyklus, beispielsweise bei der Fahrt eines Aufzuges von einem Stockwerk zum anderen.

Die Kurve a in Fig. 2 stellt den zeitlichen Verlauf des Sollwertes dar, der von dem Sollwertgeber 34 erzeugt wird.

Wird zu einem Zeitpunkt A der Startschalter 26 betätigt, so geht ein Signal an die Steuerlogik 37. Dadurch wird eine allmählich steigende Sollwertkurve erzeugt. Bei Erreichen einer Spannung U _F , die der normalen Fahrgeschwindigkeit ent­ spricht, bleibt das Sollwertsignal konstant.

Die Abbremsphase wird durch einen "Slow"-Schalter 52 zum Zeitpunkt C eingeleitet. Der Schalter kann beispielsweise an geeigneter Stelle im Fahrstuhlschacht angebracht sein und die Annäherung an das Zielstockwerk signalisieren.

Durch Betätigung des Schalters 52 wird eine allmähliche Ab­ nahme der Sollwertkurve auf einen Wert U _S (Zeitpunkt D) eingeleitet, der der gewünschten Schleichgeschwindigkeit entspricht, mit welcher sich die Last dem Zielpunkt annähern soll.

Das Erreichen des Zielpunktes wird zum Zeitpunkt E durch einen Endschalter 56 gemeldet. Das Sollwertsignal geht auf Null.

Die Kurven b und c von Fig. 2 zeigen in einer vereinfachten und übertriebenen Darstellung den Signalverlauf am Ausgang 36 des Reglers 36. Die Kurve b ist typisch für eine gegen die Antriebsrichtung wirkende Last (Betrieb im I. Quadranten "Antreiben"). Kurve c zeigt den entsprechenden Verlauf bei einer gleichgerichtet mit dem Antrieb wirkenden Last (Betrieb im II. Quadranten "Bremsen").

Charakteristisch für die in Fig. 1 dargestellte Schaltung ist, daß ein gemeinsamer Regler 36 für den Motor 10 und die Bremse 16 verwendet wird. Aufgrund der Regelabweichung, welche aus den Signalen des Drehzahl-Istwertgebers 18 und des Soll­ wertgebers 34 gewonnen wird, erzeugt ein Ausgangssignal, durch das sowohl der Motor als auch die Bremse gesteuert wird. Der Regler bildet also sowohl einen Teil der Motor­ regelungselektronik (zusammen mit dem Drehstromregler 38) als auch der Bremsregelungselektronik (zusammen mit der Anpassungsschaltung 43 und der Spannungsversorgung 40). Die genannten Elemente sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, daß in einem ersten Teilbereich des Regler-Ausgangssignals der Motor und in einem zweiten Teilbereich die Bremse anspricht. Beide Teilbereiche überlappen bevorzugt nur geringfügig oder gar nicht.

Bei der dargestellten analogelektronischen Realisierung kann dies beispielsweise dadurch geschehen, daß in einem ersten Spannungsbereich 50 ("Bremsstellbereich") die Bremse und in einem zweiten Spannungsbereich 52 ("Motorstellbereich") der Motor auf das Ausgangssignal anspricht. Innerhalb des Stell­ bereichs 50 nimmt mit abnehmender Reglerausgangsspannung die an der Wicklung 16 a anliegende Spannung zu, so daß die Bremse lüftet. Innerhalb des Stellbereichs 52 nimmt mit abnehmender Reglerausgangsspannung der Durchlaßbereich des Phasenanschnitt- Drehstromstellers 38 zu, so daß das Antriebsdrehmoment des Motors steigt.

Da der Motor zum Zeitpunkt A zunächst steht, ergibt sich mit steigendem Sollwert verhältnismäßig schnell eine große Regelabweichung. Das Ausgangssignal des Reglers 36, der vor­ zugsweise ein Proportional-Integral-Regelverhalten hat, ändert sich schnell in Richtung auf den Motorstellbereich. Dabei nimmt die an der Wicklung 16 a anliegende Spannung zu, so daß die Bremse lüftet. Solange sich das Reglerausgangs­ signal im Bremsstellbereich 50 befindet, ist der Motor strom­ los. Der von dem Startschalter 26 zum Zeitpunkt A betätigte Schaltschütz 24 wird folglich im stromlosen Zustand ge­ schaltet und dadurch geschont.

Wenn das Ausgangssignal des Reglers 36 in den Motorstell­ bereich 52 gelangt, läuft der Motor an. Dies führt vielfach zu einer unerwünscht schnellen Beschleunigung, die durch die Regelung ausgeglichen wird. Die dadurch und durch die Änderung der Last hervorgerufenen Regelschwingungen sind in Fig. 2 übertrieben dargestellt. Kurve c zeigt, daß im Fall einer schiebenden Last vorteilhafterweise die Regelung wieder in den Bremsstellbereich zurückschwingt, so daß die Bremse schon in der Anfahrphase des Antriebs für einen sanften Anlauf sorgt.

Zweckmäßigerweise schaltet eine in der Steuerlogik 37 ent­ haltene Vergleichsschaltung bereits kurz vor dem Erreichen des Sollwertes U _F die Regelungselektronik aus (Zeitpunkt B). Dabei ist der Regler vorteilhaft so ausgebildet, daß seine Ausgangsspannung schnell, aber kontrolliert auf einen Wert fällt, der dem maximalen Motorantrieb entspricht. Der Dreh­ stromsteller 38 öffnet vollständig, so daß der Motor mit vollem Drehmoment und normalem Fahrgeräusch läuft.

Die Abnahme des Sollwertes zum Zeitpunkt C führt zu einer negativen Regelabweichung und damit zu einem schnellen An­ stieg des Ausgangssignals des Reglers 36 in Richtung auf den Bremsstellbereich 50. Bei einer bremsenden Last wird dieser gemäß Kurve b unter Umständen nicht erreicht. Vielmehr erfolgt die Regelung vollständig im Motorstellbereich.

Bei einer schiebenden Last tritt das Reglerausgangssignal gemäß Kurve c in den Bremsstellbereich 52 ein. Die zunehmende Signalspannung entspricht einer abnehmenden Spannung an der Bremswicklung, bis die Bremse greift. Kurve c zeigt zwischen den Zeitpunkten C und D in übertriebener Darstellung die Regelschwingungen.

Auch nachdem der Sollwert auf den Schleichwert U _S gefallen ist (Zeitpunkt D), sorgt die Regelung für einen gleich­ mäßigen Lauf und eine sanfte Annäherung an die Schleich­ geschwindigkeit. Die Schwankungen in der Reglerausgangs­ spannung stellen Reaktionen des Reglers auf Änderungen der Last dar, die durch die Regelung ausgeglichen werden. Die Dauer des Betriebs mit der Schleichgeschwindigkeit sollte nicht zu groß sein, um eine übermäßige Erwärmung des im Phasen­ abschnitt betriebenen Motors zu vermeiden. Zweckmäßigerweise läßt sich der Zeitpunkt D dadurch optimieren, daß eine ein­ stellbare Verzögerungsschaltung vorgesehen ist, die das Signal des "Slow"-Schalters 52 verzögert.

Durch das Signal des Endschalters 56 wird das Reglerausgangs­ signal mittels der Steuerlogik 37 auf Maximalspannung gestellt. Die Bremse greift voll. Durch ein Signal von dem Endschalter 56 wird auch der Startschalter 26 geöffnet. Da somit der Schütz 24 öffnet, wird die Schaltung vom Netz getrennt. Die Bremse er­ hält keinen Strom und wirkt als Sicherheitsbremse.

Die Erfindung wurde anhand einer analogelektronischen Reali­ sierung beschrieben, jedoch sind zahlreiche andere Reali­ sierungen möglich. Insbesondere kann eine Mikroprozessor­ steuerung vorteilhaft eingesetzt werden. In diesem Falle werden die Signale des Istwertgebers an den Mikroprozessor gemeldet, der sie mit einer einprogrammierten Sollwertkurve vergleicht und aus der so ermittelten Regelabweichung die Steuersignale sowohl für den Motor als auch für die Bremse erzeugt. Die hierzu notwendigen Maßnahmen sind dem Fachmann aufgrund der vorliegenden Beschreibung ohne weiteres zu­ gänglich.

Eine Mikroprozessorsteuerung kann noch feiner auf die Erfordernisse des Einzelfalls (Last, Motorcharakteristik, Bremscharakteristik, gewünschtes Anfahr- und Abbremsver­ halten) abgestimmt werden. Sie erweist sich deswegen vor allem im Bereich höherer Lasten und Motorleistungen als vorteilhaft. Mit einer Mikroprozessorsteuerung läßt sich ein noch stabileres, höher dynamisches Regelverhalten er­ reichen als mit einer Analogregelung. Bei Verwendung einer selbstoptimierenden Mikroprozessorregelung entfällt darüber hinaus die bei analogelektronischer Ausführung notwendige Optimierungsarbeit.

Claims (8)

1. Antriebsvorrichtung, insbesondere für fördertech­ nische Zwecke und Torantriebe mit
einem Elektromotor (10),
einer Steuerlogik (37),
einem mit der Antriebsvorrichtung gekoppelten Dreh­ zahl-Istwertgeber,
einer im Betrieb mit dem Elektromotor (10) gekoppel­ ten Bremse (16), die eine Wicklung (16 a) zur elektro­ magnetischen Lüftung der Bremse aufweist, und
einer Drehzahlregelung, die eine Bremsregelungselek­ tronik (36, 42, 43) einschließt, von der die Energie­ versorgung der Bremswicklung (16 a) in Abhängigkeit von dem Signal des Drehzahl-Istwertgebers (18) und eines ein rampenförmig ansteigendes und abfallendes Signal erzeugenden Sollwertgebers (34) geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung eine Motorregelungselektronik (36, 38) mit einem Motorstellglied (38) einschließt und
daß die Antriebsbewegung mittels elektronischer Re­ gelung aus der normalen Betriebsgeschwindigkeit auf eine Schleichgeschwindigkeit abgebremst und die Brems­ wicklung bei Erreichen des Zielpunktes durch ein Si­ gnal der Steuerlogik stromlos gesetzt wird.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahl-Istwert­ geber (18) ein digitaler Drehzahlgeber ist, der bei der Normalgeschwindigkeit des Motors mindestens 500 Impulse pro Sekunde erzeugt.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsver­ sorgung (40) der Bremswicklung (16 a) als Gleich­ spannungsversorgung mit geringer Restwelligkeit von weniger als 5% ausgebildet ist.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsver­ sorgung (40) der Bremswicklung (16 a) einen Drehstrom­ gleichrichter (44) enthält.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ohm'sche Wider­ stand im Spannungsversorgungskreis der Bremse (16) so erhöht ist, daß die durch die Induktivität der Bremswicklung (16 a) und den ohm'schen Widerstand in ihrem Spannungsversorgungskreis gebildete Zeitkon­ stante mindestens 50% kleiner ist als die Zeitkon­ stante bei Nennbremslast ohne erhöhten Widerstand.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hysterese des Bremsregelkreises klein ist.

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) ein Wechselstrom- oder Drehstrom-Asynchronmotor ist.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Motorstell­ glied (38) ein Wechselstrom- oder Drehstromsteller mit Phasenanschnittssteuerung ist.