DE4019849A1

DE4019849A1 - Steuerung fuer einen induktionsmotor

Info

Publication number: DE4019849A1
Application number: DE4019849A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Hayashida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1990-06-21
Publication date: 1991-01-10
Anticipated expiration: 2010-06-22
Also published as: DE4019849C2; JPH0327785A; JP2734095B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Induktionsmotor, die eine Drehzahl- und eine Drehlageregelung erlaubt.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das eine wechselrichtergespeiste Einrichtung mit Vektorsteuerung zeigt, die als Steuerung für einen Induktionsmotor verwendet wird. Dabei ist eine Dreiphasen-Wechselstromversorgung 1 vorgesehen. Ein Stromrichter 2, in dem Dioden oder dergleichen verwendet werden, dient der Gleichrichtung eines von der Dreiphasen-Wechselstromversorgung 1 zugeführten Wechselstroms. Ein Filterkondensator 3 dient der Glättung einer vom Stromrichter 2 gleichgerichteten Spannung. Ein Wechselrichter 4 besteht aus Transistoren oder dergleichen und dient der Umrichtung einer vom Filterkondensator 3 geglätteten Gleichspannung in eine Dreiphasen-Wechselspannung. Ein Induktionsmotor 5 (nachstehend als Elektromotor bezeichnet) soll von einer vom Wechselrichter 4 gelieferten Dreiphasen-Wechselspannung angetrieben werden. Der Elektromotor 5 ist mit einer Hauptachse einer nicht gezeigten Werkzeugmaschine gekoppelt.

Ein Geschwindigkeitsgeber 6 ist an dem Elektromotor 5 angeordnet und liefert ein der Drehzahl des Elektromotors 5 entsprechendes Ausgangssignal. Ein hochauflösender Lagegeber 7 ist an dem Elektromotor 5 befestigt und liefert ein der Drehlage des Elektromotor 5 entsprechendes Ausgangssignal.

Eine NC-Einrichtung 8 liefert einen Geschwindigkeitsbefehl ωr* oder einen Lagebefehl Rr*. Ein Geschwindigkeitsbefehlserzeugungskreis 9 liefert einen Geschwindigkeitsbefehl, wie er von der NC-Vorrichtung 8 zugeführt wird, während des Betriebs des Motors in einem Drehzahlregelmodus. Ferner vergleicht der Geschwindigkeitsbefehlserzeugungskreis 9 einen Lagebefehl Rr*, der von der NC-Einrichtung 8 während des Betriebs des Motors im Drehlageregelmodus zugeführt wird, mit einem Lagesignal Rr vom Lagegeber 7 zur Bildung eines Abweichungsfehlers, so daß der auf der Basis des Abweichungssignals berechnete Geschwindigkeitsbefehl ωr* ausgegeben wird. Ein Vektorsteuerungsrechenkreis 10 unterzieht den vom Geschwindigkeitsbefehlserzeugungskreis 9 zugeführten Geschwindigkeitsbefehl ωr* und ein Geschwindigkeitssignal ωr* vom Geschwindigkeitsgeber 6 einer Vektorsteuerungsberechnung und liefert die Amplitude |I1|, die Winkelgeschwindigkeit ω0 und einen Phasenwinkel ΔR des Primärstroms für den Elektromotor 5. Ein Primärstromreferenzgeber 11 erzeugt einen Primärstrombefehl iUS* der U-Phase und einen Primärstrombefehl iVS* der V-Phase auf der Basis der Amplitude |I1|, der Winkelgeschwindigkeit ω0 und des Phasenwinkels ΔR des Primärstroms, die vom Vektorsteuerungsrechenkreis 10 geliefert werden. Ein Stromregelkreis 12 vergleicht die Primärstrombefehle iUS*, iVS*, die vom Primärstromreferenzgeber 11 zugeführt werden, mit Rückkopplungssignalen iUS, iVS des Primärstrom, der durch den Elektromotor 5 fließt, zur Bildung eines Differenzsignals, so daß auf der Basis des Differenzsignals ein Signal zur Regelung des Ausgangsstroms des Wechselrichters 4 ausgegeben wird. Dabei besteht der Regelkreis für den Wechselrichter 4 aus dem Geschwindigkeitsbefehlserzeugungskreis 9, dem Vektorsteuerungsrechenkreis 10, dem Primärstromreferenzgeber 11 und dem Stromregelkreis 12.

Das Blockschaltbild von Fig. 2 zeigt im einzelnen den Geschwindigkeitsbefehlserzeugung 9, den Vektorsteuerungsrechenkreis 10 und den Stromregelkreis 12 von Fig. 1. Ein Lagerückkopplungs-Verstärkungskreis 13 dient der Eingabe eines Abweichungssignals als die Differenz zwischen einem Lagebefehlssignal Rr* und einem Lagemeßsignal Rr* zur Multiplikation derselben mit einer Lagerückkopplungsverstärkung KPP, so daß ein Geschwindigkeitsbefehl ωr* ausgegeben wird. Ein PI-Regelkreis 14Z dient als Geschwindigkeitsrückkopplungs-Verstärkungskreis, der das Abweichungssignal als die Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl ωr* und dem Geschwindigkeitsmeßsignal ωr einer PI-Regelungsberechnung unterzieht und die Ergebnisse ausgibt. Ein Begrenzerkreis 15 begrenzt ein Ausgangssignal vom PI-Regelkreis 14Z auf einen konstanten Sättigungswert iqs*max, so daß dieser ein Drehmomentanteil-Strombefehl iqs* ist. Ein Signalausgangskreis 16 zur Erzeugung eines schwächenden veränderlichen Flusses (kurz: Schwächungssignalgenerator 16) liefert ein dem sekundären Fluß entsprechendes Signal Φ2 in Übereinstimmung mit einem Ausgangssignal iqs* des Begrenzerkreises 15 auf der Basis des Geschwindigkeitssignals ωr. Ein Verzögerungsglied 17 erster Ordnung liefert den Sekundärflußbefehl Φ2* auf der Basis des Sekundär flußerzeugungssignals Φ2, und ein Gegenreaktanzmodell erzeugungskreis 18 bildet die Gegenreaktanz M für den Elektromotor aus dem Sekundärflußbefehl R2*. Ein Erregungsanteilstromrechenkreis 19 liefert einen Erregungsanteilstrombefehl ids* auf der Basis des Sekundärflußerzeugungssignals R2 und der Gegenreaktanz M, und ein Amplitudenrechenkreis 20 berechnet die Amplitude |I1| des Primärstroms auf der Basis von iqs* und ids*. Ein Phasenwinkelrechenkreis 21 führt eine Berechnung des Phasenwinkels ΔR des Primärstroms auf der Basis von iqs* und ids* aus, und ein Schlupfwinkelfrequenzrechenkreis 22 berechnet eine Schlupfwinkelfrequenz ωs auf der Basis von iqs* und ids*. Stromschleifenverstärkungskreis 23 und 24 multiplizieren die Differenz zwischen dem Primärstrombefehl iUS* und dem Primärstromsignal iUS und derjenigen zwischen dem Primärstrombefehl iVS* und dem Primärstromsignal iVS mit einer Stromschleifenverstärkung KPI, so daß Spannungsbefehle VUS* und VVS* erhalten werden. Ein PDM-Kreis 25 bestimmt die Impulsdauern zu den EIN- und AUS-Zeiten jedes Transistors auf der Basis von VUS* und VVS*. Ferner ist ein Modusumschalter 26 vorgesehen, der entweder den Drehzahlregelmodus oder den Drehlageregelmodus auswählt.

Nachstehend wird der Betrieb der Steuerung erläutert. Aus einer bekannten Vektorsteuerungstheorie folgt, daß

mit
T_M = Soll-Drehmoment des Induktionsmotors
P_m = Anzahl-Polpaare
R₂ = Sekundärwiderstand
L₂ = Sekundärreaktanz
iqs = Drehmomentanteilstrom
ids = Erregungsanteilstrom
S = Differentialoperator.

Bei der Vektorsteuerung wird das Abweichungssignal als die Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlssignal ωr* und dem Geschwindigkeitsmeßsignal ωr im PI-Regelkreis 14Z verstärkt, und das verstärkte Signal wird vom Begrenzerkreis 15 mit einer konstanten Begrenzung beaufschlagt, so daß der Drehmomentanteil-Strombefehl iqs* ausgegeben wird. Gemäß der Gleichung (2) führt der Erregungsanteilstromrechenkreis 19 eine Verzögerungsoperation erster Ordnung einer Konstanten L₂/R₂ mit Signalen, die dem Sekundärfluß Φ2 entsprechen und vom Schwächungssignalgenerator 16 auf der Basis des Geschwindigkeitsmeßsignals ωr und des Drehmomentanteilstrombefehls iqs* erhalten sind, und eine Multiplikation des Ergebnisses mit der Gegenreaktanz M, die vom Gegenreaktanzmodellgeber 18 erhalten ist, durch unter Bildung eines Erregungsanteilstrombefehls ids*. Andererseits kann die Schlupfwinkelfrequenz ωs aus der Gleichung (3) erhalten werden, indem im Schlupfwinkelfrequenzrechenkreis 22 der Drehmomentanteilstrombefehl iqs* durch den Sekundärflußbefehl Φ2* dividiert und das Ergebnis mit dem Koeffizienten (R₂/L₂) · M multipliziert wird.

Die Amplitude |I1|, die Winkelfrequenz ω0 und der Phasenwinkel ΔΦ des Primärstrombefehls können durch die folgenden Gleichungen bestimmt werden:

Infolgedessen wird der Rechenvorgang entsprechend der Gleichung (4) im Amplitudenrechenkreis 20 und derjenige entsprechend der Gleichung (6) im Phasenwinkelrechenkreis 21 durchgeführt.

Bei der so aufgebauten Vektorsteuerung ist der Schalter 26 bei der normalen Drehzahlregelung des Elektromotors 5, d. h. in der Hauptachse-Betriebsart, auf eine "A"-Seite von Fig. 2 gesetzt, so daß dadurch die Geschwindigkeitsschleife zur Drehzahlregelung des Elektromotors 5 gebildet ist. Ferner ist der Schalter 26 in eine Stellung der "B"-Seite im Drehlageregelmodus, d. h. in der C-Achse-Betriebsart, gesetzt, so daß die Lageschleife zur Drehlageregelung des Elektromotors 5 gebildet ist. Das Ansprechverhalten zum Zeitpunkt der C-Achse-Betriebsart ist durch die Lageschleifenverstärkung KPP, die im Lageschleifenverstärkungskreis 13 des Geschwindigkeitsbefehlserzeugungskreises 9 einzustellen ist, und die Proportional- und Integralverstärkungen KPV und KIV bestimmt, die im PI-Regelkreis 14Z im Vektorsteuerungsrechenkreis 10 einzustellen sind. Die Lageschleifenverstärkung KPP wird normalerweise auf 30 s^-1 oder ähnlich eingestellt. Die Geschwindigkeitsschleifen-Proportional- und -Integralverstärkungen KPV und KIV werden, wo immer dies möglich ist, auf einen größeren Wert eingestellt, und zwar derart, daß die Geschwindigkeitsregelung nicht instabil gemacht wird, und ohne daß spezielle Einschränkungen im Hinblick auf die Hauptachse- und die C-Achse-Betriebsart auftreten, um dadurch das Ansprechverhalten zu verbessern.

Bei der so aufgebauten Steuerung für den konventionellen Induktionsmotor sind die Verstärkungswerte KPV und KIV für die Geschwindigkeitsschleife Festwerte. Daher ist das Geschwindigkeitsansprechverhalten des Vektorsteuerungsrechenkreises 10 zum Zeitpunkt des Drehzahlregelmodus, d. h. in der Hauptachse-Betriebsart, das gleiche wie dasjenige des Vektorsteuerungsrechenkreises 10 zum Zeitpunkt des Drehlageregelmodus, d. h. der C-Achse-Betriebsart. Außerdem muß die Verstärkung derart bestimmt sein, daß sie in allen Rotationsbereichen des Motors stabil ist. Daher wird die Verstärkung allgemein auf einen niedrigeren Wert eingestellt. Ferner ist der Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 auf etwa 1/2 des Nennwerts im lastfreien Zustand eingestellt, und der Erregungsanteilstrom ids* ist so eingestellt, daß der Sekundärfluß mit zunehmender Last allmählich auf 100% des Nennflusses ansteigt. Infolgedessen ist das Geschwindigkeitsansprechverhalten des Vektorsteuerungsrechenkreises 10 in der Hauptachse-Betriebsart gleich dem Verhalten des Vektorsteuerungsrechenkreises in der C-Achse-Betriebsart.

Wenn jedoch eine Werkzeugmaschine, z. B. ein Stirnfräser, für eine Bearbeitung in der C-Achse-Betriebsart eingesetzt wird, wirkt auf den Elektromotor 5 aufgrund von Messerkontakten der Fräswerkzeuge eine instabile äußere Kraft ein. Wenn das Geschwindigkeitsansprechverhalten des Elektromotors 5 nicht überragend ist, erfolgt eine Geschwindigkeitsänderung aufgrund der instabilen äußeren Kraft, was zu großen Abweichungen der Differenz zwischen einer Soll-Befehlslage und einer Ist-Lage führt. Infolgedessen wird die Präzision des Fräsvorgangs entlang der C-Achse verschlechtert. Wenn das Fräsen von mit den Fräswerkzeugen zu fräsenden Werkstücken im Hinblick auf eine Verringerung von Lagefehleränderungen klein gemacht wird, wird die maximale Produktivität des Fräsvorgangs schlechter, was zu Problemen führt.

Zweck der Erfindung ist die Lösung der oben angesprochenen Probleme. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Steuerung für einen Induktionsmotor anzugeben, die zur Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit im Drehlageregelmodus und zur Erhöhung der maximalen Produktivität des Fräsvorgangs führt.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Steuerung für einen Induktionsmotor mit einer Stromschleife zur Durchführung einer Rückführungsregelung eines Primärstroms des Induktionsmotors, einer Geschwindigkeitsschleife zur Durchführung einer Rückführungsregelung der Drehzahl des Induktionsmotors und einer Lageschleife zur Durchführung einer Rückführungsregelung der Drehlage des Induktionsmotors, wobei die Steuerung entweder einen Drehzahlregelmodus oder einen Drehlageregelmodus durch Steuern des Primärstroms des Induktionsmotors nach Maßgabe des gewählten Modus auswählt. Dabei hat die Steuerung eine Verstärkungsumschalteinrichtung zur Umschaltung wenigstens einer Stromschleifenverstärkung oder einer Geschwindigkeitsschleifenverstärkung im Drehlageregelmodus auf einen vorbestimmten Verstärkungswert, der größer als im Drehzahlregelmodus ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist bei der Steuerung der vorgenannen Art vorgesehen, daß die Verstärkungsumschalteinrichtung nur im Fall des Drehlageregelmodus und eines Bearbeitungsmodus zur Bearbeitung eines Werkstücks als von dem Induktionsmotor anzutreibendes Organ wenigstens die Stromschleifenverstärkung oder die Geschwindigkeitsschleifenverstärkung auf einen vorbestimmten Verstärkungswert umschaltet, der größer als in anderen Betriebsarten ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Steuerung für einen Induktionsmotor mit einem Schwächungssignalgenerator zur veränderlichen Regelung einer Erregungskomponente des Primärstroms im Induktionsmotor unter Erzeugung des Sekundärflusses, der der durch den Primärstrom entwickelten Drehmomentkomponente entspricht, nach Maßgabe entweder eines Drehzahlregelmodus oder eines Drehlageregelmodus angegeben, wobei diese Steuerung aufweist: einen Verstärkungssignalgenerator, der den Sekundärfluß erzeugt, der größer als der vom Schwächungssignalgenerator erzeugte Fluß ist, und eine Erregungsumschalteinrichtung, die den Verstärkungssignalgenerator nur im Fall des Drehlageregelmodus und eines Bearbeitungsmodus zur Bearbeitung eines Werkstücks als vom Induktionsmotor anzutreibendes Organ auswählt und im Fall anderer Betriebsarten den Schwächungssignalgenerator auswählt.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer wechselrichtergespeisten Steuerung für einen Induktionsmotor, die dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und dem Stand der Technik gemeinsam ist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Vektorsteuerschaltkreises in einer Steuerung für einen Induktionsmotor nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Vektorsteuerschaltkreises in einer Steuerung für einen Induktionsmotor gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des Vektorsteuerschaltkreises gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 5a und 5b Diagramme zum Vergleich einer durch Lagefehler im ersten Ausführungsbeispiel erzeugten Wellenform mit einer durch Lagefehler beim Stand der Technik erzeugten Wellenform;

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des Vektorsteuerschaltkreises gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Vektorsteuerschaltkreises in einer Steuerung für einen Induktionsmotor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 8 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des Vektorsteuerschaltkreises gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 9a und 9b Diagramme zum Vergleich einer durch Lagefehler beim dritten Ausführungsbeispiel erzeugten Wellenform mit einer durch Lagefehler beim Stand der Technik erzeugten Wellenform.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3-6 bzw. 7-9 werden nachstehend ein erstes und zweites bzw. eine drittes Ausführungsbeispiel erläutert. Dabei entspricht der Gesamtaufbau der drei Ausführungsbeispiele jeweils dem Stand der Technik nach Fig. 1, so daß eine erneute Beschreibung entfällt.

Das Blockschaltbild von Fig. 3 zeigt einen Vektorsteuerschaltkreis gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei sind gleiche Teile wie in Fig. 1 ebenso bezeichnet. Ein PI-Regelkreis 14 dient als Geschwindigkeitsschleifenverstärkungskreis zur Eingabe eines Abweichungssignals als Differenz zwischen einem Geschwindigkeitsbefehl ωr* und einem Geschwindigkeitsmeßsignal ωr und zur anschließenden Ausführung einer PI-Operation und Ausgabe der Ergebnisse. Der PI-Regelkreis 14 besteht aus einem ersten PI-Regelkreis 14A mit einer geringeren Proportionalverstärkung KPV und Integralverstärkung KIV als "Schleifenverstärkungs-Bezugswerte", einem zweiten PI-Regelkreis 14B mit einer höheren Proportionalverstärkung KPVC und Integralverstärkung IIVC als "hohe Schleifenverstärkung" und einem Geschwindigkeitsverstärkungsumschalter 14C, der in einer Hauptachse-Betriebsart, d. h. dem Drehzahlregelmodus eines Elektromotors 5, den ersten PI-Regelkreis 14A auswählt oder in einer C-Achse-Betriebsart, d. h. dem Drehlageregelmodus des Elektromotors 5, den zweiten PI-Regelkreis 14B auswählt. Stromschleifenverstärkungskreise 23 und 24 dienen als Stromschleifenregelverstärker zur Eingabe eines Abweichungssignals als Differenz zwischen einem Primärstrombefehl iUS* und einem Primärstrommeßsignal iUS und eines Abweichungssignals als Differenz zwischen einem Primärstrombefehl iVS* und einem Primärstrommeßsignal iVS zur Durchführung einer Proportionalregelung an diesen, so daß zugehörige Spannungsbefehle VUS* und VVS* ausgegeben werden. Die Stromschleifenverstärkungskreise 23 und 24 bestehen aus ersten P-Regelkreisen 23A und 24A, die jeweils eine niedrigere Proportionalverstärkung KPI als "Schleifenverstärkungs-Bezugswert" haben, zweiten P-Regelkreisen 23B und 24B, die jeweils eine höhere Proportionalverstärkung KPIC als "hohe Schleifenverstärkung" haben, und Stromverstärkungsumschaltern 23C und 24C, die in einem Drehzahlregelmodus die ersten P-Regelkreise 23A und 24A oder im Drehlageregelmodus die zweiten P-Regelkreise 23B und 24B auswählen. Dabei bestehen die Verstärkungsumschalter jeweils aus den Verstärkungsumschaltern 14C, 23C bzw. 24C. Jeder Schalter wird so umgeschaltet, daß er mit dem Regelmodusumschalter 26 verriegelt ist, um entweder den Drehzahlregelmodus "A" oder den Drehlageregelmodus "B" auszuwählen.

Das Flußdiagramm von Fig. 4 verdeutlicht den Betrieb des Vektorsteuerschaltkreises 10 von Fig. 3 und wird nachstehend beschrieben.

In Schritt 101 wird zuerst abgefragt, ob die Betriebsart des Elektromotors 5 eine Hauptachse-Betriebsart zur Drehzahlregelung des Elektromotors 5 oder eine C-Achse-Betriebsart zur Drehlageregelung ist. Wenn es sich um die Hauptachse-Betriebsart handelt, werden in Schritten 102 und 103 der Modusumschalter 26, der Geschwindigkeitsverstärkungs-Umschalter 14C und die Stromverstärkungs-Umschalter 23C, 24C auf die "A"-Seite gesetzt. Der Umschalter 26 wählt eine Geschwindigkeitsschleife aus, der Schalter 14C wählt Geschwindigkeitsschleifenverstärkungen KPV und KIV aus, die eine stabile Geschwindigkeitsregelung im Gesamtrotationsbereich der Hauptachse erlauben, und die Schalter 23C und 24C wählen die Stromschleifenverstärkung KPI aus. Wenn andererseits in Schritt 101 die C-Achse-Betriebsart bestimmt wird, werden in Schritten 104 und 105 der Schalter 26 und die Schalter 14C, 23C und 24C zur "B"-Seite gesetzt. Der Schalter 26 wählt eine Lageschleife aus, und der Schalter 14C wählt eine Lageschleifenverstärkung KPP und die Geschwindigkeitsschleifenverstärkungen KPV und KIV aus, die eine stabile Lageregelung im Gesamtrotationsbereich der C-Achse erlauben. Ferner wählen die Schalter 23C und 24C die Stromschleifenverstärkung KPI aus.

Es ist erforderlich, in der normalen Hauptachse-Betriebsart die Geschwindigkeitsschleife im Gesamtrotationsbereich (z. B. 0-6000 U/min) der Hauptachse stabil zu machen. Daher wird die Geschwindigkeitsschleifenverstärkung erhöht. Eine solche Verstärkungserhöhung erfährt jedoch eine Begrenzung. Da andererseits in der C-Achse-Betriebsart der Rotationsbereich eng und die Drehzahl niedrig ist (z. B. 0-200 U/min), kann die Geschwindigkeitsschleifenverstärkung gegenüber derjenigen in der Hauptachse-Betriebsart erhöht werden. Außerdem kann es angebracht sein, die Geschwindigkeitsschleifenverstärkung auch durch Erhöhung der Stromschleifenverstärkung zu erhöhen.

Im übrigen werden bei dem obigen Ausführungsbeispiel ein Verhältnis der Proportionalverstärkung KPVC (hohe Schleifenverstärkung) im zweiten PI-Regelkreis 14B zu der Proportionalverstärkung KPV (Schleifenverstärkungs-Bezugswert) im ersten PI-Regelkreis 14A sowie ein Verhältnis der Integralverstärkung KIVC (hohe Schleifenverstärkung) im Regelkreis 14B zu der Integralverstärkung KIV (Schleifenverstärkungs-Bezugswert) im Regelkreis 14A sowie ein Verhältnis jeder der Proportionalverstärkungen KPIC (hohe Schleifenverstärkungen) in den zweiten P-Regelkreisen 23B, 24B zu den jeweiligen Proportionalverstärkungen KPI (Schleifenverstärkungs-Bezugswerte) in den ersten P-Regelkreisen 23A, 24A beispielsweise wie folgt bestimmt:

K_PVC = 5 K_pV
K_IVC = 5 K_IV
K_PIC = 2 K_PI

Dies könnte also als wirksames Mittel zur Verbesserung des Geschwindigkeitsansprechverhaltens bei der Steuerung dienen, bei der Fräsgenauigkeit und -leistung etwa beim Fräsen in der C-Achse-Betriebsart erforderlich sind.

Fig. 5 (a) ist ein Diagramm von Wellenformen, die bei Durchführung des C-Achse-Fräsens gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Laständerung sowie Änderungen von Lagefehlern, die sich in Abhängigkeit von der Laständerung ändern, bezeichnen. Fig. 5 (b) ist ein Diagramm von Wellenformen, die zum Vergleich Änderungen von Lagefehlern bei Durchführung des C-Achse-Fräsens entsprechend dem Stand der Technik bezeichnen.

Die Laständerung im Fall des C-Achse-Fräsebetriebs bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 5 (a) ist die gleiche wie beim Stand der Technik entsprechend Fig. 5 (b). Die Änderungen der Lagefehler, die durch die Laständerung während des Fräsbetriebs von Fig. 5 (a) bewirkt werden, sind jedoch erheblich kleiner als in Fig. 5 (b). Somit kann gegenüber dem Stand der Technik die Fräsgenauigkeit bei Beendigung des Fräsvorgangs wesentlich verbessert werden.

Das Flußdiagramm von Fig. 6 beschreibt den Betrieb eines Vektorsteuerschaltkreises gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei ist der Aufbau dieses Steuerkreises gleich wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Der Unterschied zwischen beiden Ausführungsbeispielen ist der folgende: Die Umschalter 14C und 23C zum Umschalten der Geschwindigkeits- und Stromschleifenverstärkungen werden nur dann zur "B"-Seite, d. h. zur Seite der hohen Schleifenverstärkung in Fig. 3, gesetzt, wenn während der C-Achse-Betriebsart, d. h. im Drehlageregelmodus des Elektromotors 5, ein Bearbeitungsmodus ausgewählt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese Schalter zur "A"-Seite, d. h. zur Seite der oben beschriebenen Geschwindigkeits- und Stromschleifenverstärkungs-Bezugswerte, im Nicht-Bearbeitungsbetrieb auch im Fall des Drehlageregelmodus umgeschaltet, was es ermöglicht, eine durch Erhöhen der Geschwindigkeits- und Stromschleifenverstärkung bedingte Erhöhung von Schwingungsgeräuschen zu vermeiden.

Der Betrieb des zweiten Ausführungsbeispiels wird nachstehend unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von Fig. 6 erläutert. Dabei wird in Schritt 201 zuerst abgefragt, ob sich der Elektromotor 5 in der C-Achse-Betriebsart zur Drehlageregelung befindet. Wenn dies nicht der Fall ist, d. h. wenn die Hauptachse-Betriebsart mit Drehzahlregelung vorliegt, geht der Ablauf zu Schritt 202. In Schritt 202 wird der Schalter 26 zur "A"-Seite als der Drehzahlregelungsseite gesetzt. Ferner werden die Schalter 14C, 23C und 24C zur "A"-Seite als der Standardschleifenverstärkungsseite umgeschaltet. Somit erfolgt in Schritt 203 ein Vektorbetrieb auf der Basis der Geschwindigkeits- und Stromschleifenverstärkungs-Bezugswerte (KPV, KIV, KPI). Wenn in Schritt 201 bestimmt wird, daß die C-Achse-Betriebsart vorliegt, wird in Schritt 204 abgefragt, ob der Steuerbetrieb ein Bearbeitungsmodus ist. Wenn dies nicht der Fall ist, geht der Ablauf zu Schritt 205, in dem der Schalter 26 zur "B"-Seite als der Drehlageregelseite umgeschaltet wird und die Schalter 14C, 23C und 24C ebenfalls zur "A"-Seite, d. h. der Seite der Bezugsschleifenverstärkungen, gelegt werden. Dann wird die Routine entsprechend Schritt 203 ausgeführt. Wenn dagegen in Schritt 204 der Bearbeitungsmodus bestimmt wird, geht der Ablauf zu Schritt 206, in dem der Schalter 26 zur "B"-Seite umgeschaltet wird und die Schalter 14C, 23C und 24C ebenfalls zur "B"-Seite, d. h. der Seite der hohen Geschwindigkeits- und Stromschleifenverstärkungen, umgeschaltet werden. Somit wird ein Vektorbetrieb auf der Basis der hohen Geschwindigkeits- und Stromschleifenverstärkungen (KPVC, KIVC, KPIC) in Schritt 207 durchgeführt.

Das Blockschaltbild von Fig. 7 zeigt einen Hauptteil eines Vektorsteuerkreises gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.

Ähnlich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel ist das dritte Ausführungsbeispiel so ausgelegt, daß das Geschwindigkeits-Ansprechverhalten während des C-Achse-Fräsvorgangs bei der Bearbeitung im Drehlageregelmodus des Elektromotors 5 verbessert und damit die Fräspräzision um die C-Achse verbessert wird. Dieses Ausführungsbeispiel soll jedoch den Sekundärfluß des Elektromotors 5 im Hinblick auf eine Verringerung von Schwingungen und Geräuschen und weniger im Hinblick auf eine Verbesserung des Geschwindigkeits-Ansprechverhaltens während des Nicht-Bearbeitungsmodus auch dann steuern, wenn die C-Achse-Betriebsart vorliegt.

Gemäß Fig. 7 ist ein Signalausgangskreis 27 zur Verstärkung des den festen Fluß verstärkenden Signals (kurz: Verstärkungssignalgenerator) vorgesehen, um den Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 auf einen verstärkten festen Fluß mit 100% des Nennflusses einzustellen. Ein Erregungsumschalter 28 dient als Erregungsumschalteinrichtung zur Auswahl entweder des Schwächungssignalgenerators 16 oder des Verstärkungssignalgenerators 27 zum Zeitpunkt der C-Achse-Betriebsart aufgrund eines EIN- oder AUS-Zustands eines den C-Achse-Fräsbetrieb bezeichnenden Signals.

Fig. 8 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des Vektorsteuerkreises von Fig. 7, der nachstehend beschrieben wird.

Zuerst wird in Schritt 301 abgefragt, ob der Steuerbetrieb des Elektromotors 5 eine Hauptachse-Betriebsart zur Drehzahlregelung oder eine C-Achse-Betriebsart zur Drehlageregelung ist. Wenn es sich um die Hauptachse-Betriebsart handelt, geht die Routine zu Schritt 302, in dem die Schalter 26 und 28 in die "A"-Seitenstellung gebracht werden. D. h., der Schalter 26 wählt die Geschwindigkeitsschleife aus, und der Schalter 28 wählt den Schwächungssignalgenerator 16 aus. In Schritt 303 wird der Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 zu einem schwächenden veränderlichen Fluß gemacht, d. h. auf im wesentlichen 50% des Nennwerts während des lastfreien Betriebs gebracht. Ferner wird der Sekundärfluß R2 so gesteuert, daß er mit steigender Last allmählich bis auf 100% des Nennflusses ansteigt. Ein dem Sekundärfluß Φ2 entsprechendes erzeugtes Signal wird einem Erregungsanteilstromrechenkreis 19 zugeführt zur Berechnung eines Erregungsanteilstroms ids*. Wenn in Schritt 301 bestimmt wird, daß der Steuermodus des Elektromotors 5 die C-Achse-Betriebsart mit Drehlageregelung ist, geht die Routine zu Schritt 304 weiter. In Schritt 304 wird abgefragt, ob das von einer nicht gezeigten NC-Einrichtung einzugebende Signal für den C-Achse-Fräsbetrieb den EIN- oder AUS-Zustand hat. Wenn es den AUS-Zustand hat, wird der Schalter 26 in die "B"-Stellung und der Schalter 28 in die "A"-Stellung in Schritt 305 gebracht. Um den Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 auf einen schwächenden veränderlichen Fluß zu bringen, wird in Schritt 303 der Schwächungssignalgenerator 16 ausgewählt. Wenn sich das Signal dagegen in Schritt 304 im EIN-Zustand befindet, wird in Schritt 306 der Schalter 28 zur "B"-Seite gestellt. Ferner wird in Schritt 306 der Verstärkungssignalgenerator 27 ausgewählt, um den Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 zu einem verstärkenden festen Fluß zu machen. Ein Ausgangssignal des Verstärkungssignalgenerators 27 wird dem Erregungsanteilstromrechenkreis 19 zugeführt, der einen Erregungsanteilstrom ids* berechnet.

Um hierbei Erregungsgeräusche des Elektromotors 5 zu vermindern, wird der Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 während der normalen Hauptachse-Betriebsart auf einen schwächenden veränderlichen Fluß eingestellt. Ferner wird zur Verminderung von Erregungsgeräuschen und Schwingungen des Elektromotors 5 sein Sekundärfluß Φ2 zum Zeitpunkt einer Normalpositionierung, wobei auch im Fall der C-Achse-Betriebsart keine maschinelle Bearbeitung notwendig ist, zum Schwächungsschwankungsfluß gemacht. Bei der Steuerung, bei der zuerst Fräsgenauigkeit und -leistung erforderlich sind, wie im C-Achse-Fräsbetrieb, wird der Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 vorher auf einen Verstärkungsfluß eingestellt, um dadurch das Geschwindigkeits-Ansprechverhalten des Vektorsteuerrechenkreises 10 zu verbessern.

Fig. 9 (a) ist ein Diagramm von Wellenformen, die eine Laständerung, einen Drehmomentanteilstrombefehl iqs* und Änderungen von Lagefehlern, die sich je nach der Laständerung ändern, bei Durchführung des C-Achse-Fräsens in dem Fall einstellen, daß beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 als 100% Nennfluß Φ angenommen ist. Fig. 9 (b) ist ein Diagramm einer Wellenform, die zum Vergleich Änderungen von Lagefehlern zeigt, die bei Durchführung des C-Achse-Fräsbetriebs dann auftreten, wenn der Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 als schwächender veränderlicher Fluß Φ angenommen ist, der zwischen 50% und 100% des Nennflusses schwankt.

Die Fig. 9 (a) und 9 (b) zeigen Wellenformen, die die Last, den Drehmomentanteilstrombefehl iqs*, den Sekundärfluß Φ2, die Lagefehler und ein Eingangssignal, das einen Zustand während des C-Achse-Fräsens [das nur in Fig. 9 (a) gezeigt ist] bezeichnet, in Draufsicht zeigen. Gemäß Fig. 9 (a) ändert sich der Sekundärfluß Φ2 des Elektromotors 5 bei dem Ausführungsbeispiel von 50% auf 100% aufgrund der Eingabe eines C-Achse-Fräsbetriebssignals. Die Änderung der Last L in Fig. 9 (a) ist daher die gleiche wie beim Stand der Technik nach Fig. 9 (b). Die Schwankungen der Lagefehler aufgrund der Änderung der Last L sind jedoch extrem klein. Infolgedessen können ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel die Lagefehler und Schwankungen der Lagefehler gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verringert werden. Dabei ist die in Fig. 9 (a) gezeigte Änderung des Drehmomentanteilstrombefehls iqs* kleiner als diejenige von Fig. 9 (b), und zwar aus folgendem Grund: Das Drehmoment T_M ist dem Produkt des Sekundärflusses Φ2 und des Drehmomentanteilstroms iqs in der Gleichung (1) in bezug auf das Drehmoment T_M des Elektromotors 5 proportional, was bereits im Stand der Technik beschrieben wurde. Daher wird unter der Voraussetzung, daß das Drehmoment T_M konstant ist, der Drehmomentanteilstrom iqs klein, wenn der Sekundärfluß Φ2 groß ist. Somit wird selbstverständlich die Änderung des Drehmomentanteilstrombefehls iqs* ebenfalls klein.

Jedes der drei obigen Ausführungsbeispiele zeigt eine mit Hardware-Schaltkreisen, die den Modusumschalter 26 oder dergleichen umfassen, aufgebaute Einrichtung. Als Alternative kann aber auch Software eingesetzt werden, die aus Programmen in einem Mikrocomputer aufgebaut ist. In diesem Fall können dieselben Vorteile erzielt werden.

Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel werden übrigens bei Umschaltung vom Drehzahlregelmodus in den Drehlageregelmodus die Geschwindigkeits- und Stromschleifenverstärkungen von der Bezugswertseite der Stromschleifenverstärkung zur hohen Schleifenverstärkung umgeschaltet. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird ferner bei der Umschaltung aus anderen Betriebsarten in die Bearbeitungsbetriebsart im Drehlageregelmodus jeder der für die Geschwindigkeits- und Stromschleifenverstärkungen verwendeten Umschalter von der Bezugswertseite der Stromschleifenverstärkung zur hohen Schleifenverstärkungsseite umgeschaltet. Den oben genannten Auswirkungen entsprechende vorteilhafte Auswirkungen können jedoch auch dann erzielt werden, wenn jeweils nur einer der für die beschriebene Geschwindigkeits- und Stromschleifenverstärkung verwendeten Schalter ausgewählt wird.

Ferner dienen die drei beschriebenen Ausführungsbeispiele der beispielsweisen Erläuterung der vektorgesteuerten Wechselrichtersteuerkreise. Sie sind jedoch nicht unbedingt auf die Vektorsteuerung beschränkt, wenn ein Schaltkreis verwendet wird, bei dem eine Rückkopplung der Drehlage, der Drehzahl und des Werts eines Laststroms im Induktionsmotor erfolgt. Vorteilhafte Auswirkungen entsprechend den vorstehend angegebenen können auch bei Verwendung anderer Steuerkreise als Alternative erzielt werden.

Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird die Verstärkung an jeder Regelverstärkungseinrichtung, die in den jeweiligen Strom- und Geschwindigkeitsschleifen enthalten sind, umgeschaltet und so geändert, daß sie bei Anwendung des Drehlageregelmodus im Induktionsmotor größer als im Fall des Drehzahlregelmodus ist. Somit erhält man mit diesem Ausführungsbeispiel eine Steuerung mit hoher Positioniergenauigkeit gegenüber der Anwendung des Drehzahlregelmodus.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird ferner die Verstärkung jeder Regelverstärkungseinrichtung, die in den Strom- und Geschwindigkeitsschleifen enthalten sind, umgeschaltet und so geändert, daß sie gegenüber anderen Betriebsarten dann größer ist, wenn der Drehlageregelmodus und der Bearbeitungsbetrieb zur Bearbeitung von Werkstücken in Übereinstimmung mit vom Induktionsmotor anzutreibenden Elementen gewählt ist, so daß dadurch eine Steuerung erhalten wird, mit der Erregungsgeräusche oder Schwingungen des Elektromotors 5 verringert werden, wenn keine Werkstücke bearbeitet werden. Ebenso wird beim dritten Ausführungsbeispiel der Schwächungssignalgenerator zum Verstärkungssignalgenerator umgeschaltet, so daß eine Steuerung erhalten wird, mit der Erregungsgeräusche oder Schwingungen des Elektromotors 5 dann, wenn die genannten Werkstücke nicht bearbeitet werden, vermindert werden.

Claims

1. Steuerung für einen Induktionsmotor mit einer Stromschleife zur Durchführung einer Rückführungsregelung eines Primärstroms des Induktionsmotors (5), einer Geschwindigkeitsschleife zur Durchführung einer Rückführungsregelung der Drehzahl des Induktionsmotors und einer Lageschleife zur Durchführung einer Rückführungsregelung der Drehlage des Induktionsmotors, wobei die Steuerung entweder eine Drehzahlregelungs-Betriebsart oder eine Drehlageregelungs-Betriebsart durch Steuern des Primärstroms des Induktionsmotors nach Maßgabe der gewählten Betriebsart auswählt, gekennzeichnet durch eine Verstärkungsumschalteinrichtung (14C, 23C, 24C) zur Umschaltung wenigstens einer Stromschleifenverstärkung oder einer Geschwindigkeitsschleifenverstärkung in der Drehlageregelungs-Betriebsart auf einen vorbestimmten Verstärkungswert, der größer als in der Drehzahlregelungs-Betriebsart ist.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsumschalteinrichtung (14C, 23C, 24C) nur im Fall der Drehlageregelungs-Betriebsart und eines Bearbeitungsmodus zur Bearbeitung eines Werkstücks als von dem Induktionsmotor (5) anzutreibendes Organ wenigstens die Stromschleifenverstärkung oder die Geschwindigkeitsschleifenverstärkung auf einen vorbestimmten Verstärkungswert umschaltet, der größer als in anderen Betriebsarten ist.

3. Steuerung für einen Induktionsmotor mit einem Schwächungssignalgenerator (16) zur veränderlichen Regelung einer Erregungskomponente des Primärstroms im Induktionsmotor (5) unter Erzeugung des Sekundärflusses, der der durch den Primärstrom entwickelten Drehmomentkomponente entspricht, nach Maßgabe entweder einer Drehzahlregelungs-Betriebsart oder einer Drehlageregelungs-Betriebsart, gekennzeichnet durch
einen Verstärkungssignalgenerator (27), der den Sekundärfluß erzeugt, der größer als der vom Schwächungssignalgenerator (16) erzeugte Fluß ist; und
eine Erregungsumschalteinrichtung (28), die den Verstärkungssignalgenerator (27) nur im Fall der Drehlageregelungs-Betriebsart und eines Bearbeitungsmodus zur Bearbeitung eines Werkstücks als vom Induktionsmotor (5) anzutreibendes Organ auswählt und im Fall anderer Betriebsarten den Schwächungssignalgenerator (16) auswählt.

4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung eine Vektorsteuerung verwendet.