DE4105162A1 - Anordnung zur regelung elektronisch kommutierter servomotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Regelung wenigstens eines Elektromotors nach der Gattung des Hauptanspruchs. Sie ist insbeson­ dere für Anwendungen in modular aufgebauten Antriebssystemen vorge­ sehen, bei denen ein Versorgungsmodul mehrere Servoantriebe speist.

Stand der Technik

Aus der DE 31 13 909 ist eine Textilmaschine bekannt, bei welcher ein Umrichter mehrere Gruppen jeweils gleicher Motoren speist. Der Umrichter beinhaltet mehrere, jeweils eine Gruppe gleicher Motoren zugeordneter Wechselrichter. Die Speisung der Wechselrichter erfolgt durch einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis, der mittels einer eingangsseitig mit einem Wechselspannungsnetz verbundenen Gleichrichter bereitgestellt wird. Alle von den Wechselrichtern ge­ speisten Motoren laufen mit der gleichen Drehzahl. Die Ansteuerung der Wechselrichter erfolgt deshalb durch eine gemeinsame Ansteuer­ logik. Zur Glättung der Zwischenkreis-Gleichspannung ist ein Konden­ sator vorgesehen. Weitere Maßnahmen zur Stabilisierung der Zwischen­ kreis-Gleichspannung werden nicht ergriffen. Sie wird weder geregelt noch zu einem anderen Zweck erfaßt. Schwankungen der Zwischen­ kreis-Gleichspannung werden nahezu unvermindert an die Motoren weitergegeben. Die Anordnung ist dadurch für eine unabhängige Ein­ zelansteuerung der Motoren nicht geeignet. Im Falle eines voneinan­ der unabhängigen Betriebes können die von den Motoren ausgehenden Rückwirkungen im Zwischenkreis zu erheblichen Spannungsschwankungen führen, welche sich auf die jeweils anderen Motoren auswirken.

Die Darstellung eines Umrichters mit konstanter Zwischenkreisspan­ nung als eines von mehreren verschiedenen möglichen Antriebssystemen mit umrichtergespeisten Drehstrommotoren findet sich in Bild 1c der Schrift "Drehzahlveränderbare Drehstromantriebe mit Umrichtern", technische Akademie Esslingen, 1988, Kapitel 4, H. Auinger, Seiten 1 bis 4. Als Anwendungsschwerpunkte werden Einzel- oder Gruppenantrie­ be, zum Beispiel Werkzeugmaschinen, genannt. Die Ansteuerung der Wechselrichter erfolgt durch pulsbreitenmodulierte Signale. Zur Glättung der Zwischenkreisspannung sind Kondensatoren vorgesehen. Weitergehende Maßnahmen zur Regelung oder zur Erfassung der Zwi­ schenkreisspannung sind nicht beschrieben. Schwankungen der Zwi­ schenkreis-Gleichspannung können sich deshalb ebenfalls auf das Verhalten der Motoren auswirken.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen wechselrichter­ gesteuerten Elektromotor, der vorzugsweise mit mehreren anderen Mo­ toren von einer gemeinsamen Zwischenkreisspannung versorgt wird, eine vereinfachte und dabei eine verbesserte Regelgüte liefernde Steueranordnung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß auf eine Rege­ lung der Zwischenkreisspannung verzichtet werden kann. Die zentrale Stromversorgungseinheit kann einfacher gestaltet werden. Die Not­ wendigkeit einer kontrollierten Gleichrichtung der eingangsseitigen Wechselspannung, wie beispielsweise mit Thyristoren, entfällt. Es genügt eine ungesteuerte Gleichrichtung der Netzspannung mittels Dioden. Aufgrund des vereinfachten Aufbaus der Stromversorgungs­ einheit ist diese weniger fehleranfällig und zudem kostengünstiger. Der Wert der Zwischenkreisspannng wird direkt an die den einzelnen Servomotoren zugeordneten Mikrorechner übermittelt, welche die über­ mittelten Werte in die Wechselrichtersteuerung einbeziehen. Der zusätzliche Aufwand zur Verarbeitung der Zwischenkreisspannungs­ signale in den einzelnen Servoantrieben ist gering, da die Antriebe ohnehin mit einem Mikrorechner ausgestattet sind. Die gesamte An­ ordnung aus Leistungsumformereinheit und Servoantrieben kann modu­ lar aufgebaut sein. Ist eine Wechselrichtereinheit fehlerhaft, kann diese leicht ausgewechselt werden. Das Auswechseln beeinflußt das Versorgungsmodul oder andere vom selben Versorgungsmodul gespeiste Wechselrichtereinheiten nicht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regelanordnung ist in der Figur gezeigt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Die Figur zeigt ein Blockdiagramm einer Regelungsanordnung für meh­ rere von einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis gespeiste Servoantriebe.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Regelungsanordnung schematisch als Blockschaltbild. Ein Gleichrichter 4 ist eingangsseitig mit ei­ ner Wechselspannungsquelle 20, hier einem Drehstromnetz, verbunden. Nachgeschaltete Wechselrichtereinheiten 1 sind mit Mikrorechnern 2 ausgerüstet. Die an der Ausgangsseite des Gleichrichters 4 anliegen­ de Gleichspannung bildet den Gleichspannungszwischenkreis 7. Dieser speist mehrere Wechselrichtereinheiten 1, die ausgangsseitig jeweils einen kollektorlosen Elektromotor, insbesondere Servomotor versor­ gen. Jede Wechselrichtereinheit 1 beinhaltet einen Mikrorechner 2, der die Wechselrichtersteuersignale generiert. Die Wechselrichteran­ steuersignale sind vorzugsweise pulsweitenmodulierte Signale. Der Mikrorechner ist ausgangseitig mit den zugehörigen Wechselrichtern verbunden. Ein Spannungsteiler mit Widerständen 16 bis 18 dient zum Abgriff der Zwischenkreisspannung 7. Das abgegriffene Spannungssi­ gnal wird über einen Verstärker 15 einem Spannungs-Frequenz-Wandler 5 (VCO), im folgenden U/f-Wandler genannt, zugeführt. Dem U/f-Wand­ ler 5 ist wahlweise ein erster Optokoppler 9 nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal mehreren Zählern 10 zugeleitet wird. In einer alterna­ tiven Ausführung wird das Ausgangssignal 8 des U/f-Wandlers 5 gleichzeitig mehreren Optokopplern 6 für die verschiedenen Wechsel­ richtereinheiten 1 zugeführt. Den Optokopplern 6 schließt sich je­ weils eine aus dem Zähler 10 und einem Register 11 bestehende Anord­ nung an. Zähler 10 und Register 11 werden durch ein Taktsignal 19, 19′ getriggert. Über eine Datenleitung 12 greift der Mikrorechner 2 auf das Register 11 zu, in welches der Zähler 10 seine Daten ablegt. Der Rechner 2 dient zweckmäßig auch zur Kontrolle und Regelung wei­ terer Motorbetriebsfunktionen. Ebenso erfolgt die Vorgabe von Be­ triebssollwerten für die Motoren 3 über den Rechner 2. Wechselrich­ tereinheit 1 mit Mikrorechner 2 sowie Zähler 10 und Register 11 sind vorteilhaft gemeinsam in einem Wechselrichtermodul angeordnet.

Die Funktionsweise der Anordnung ist wie folgt:
Die auf der Ausgangsseite des Gleichrichters 4 anliegende Zwischen­ kreisgleichspannung 7 wird zunächst in einfacher Weise einem Span­ nungsteiler, bestehend aus den Widerständen 16 bis 18 zugeführt. Der über den Widerstand 17 abfallende Teil der Zwischenkreisspannung 7 wird in einem Verstärker 15 geeignet verstärkt. Das von dem Verstär­ ker 15 abgegebene Signal wird von dem U/f-Wandler 5 erfaßt. Der Meß­ abgriff der Zwischenkreispannung kann an einer beliebigen Stelle des Zwischenkreises 7 erfolgen, es ist ferner nur ein einmaliger Meßab­ griff erforderlich. Der Linearitätsbereich des U/f-Wandlers sollte die Schwankungsbreite der Zwischenkreisspannung 7 abdecken. Bei ei­ nem üblichen Dreiphasennetz ist dies ein Bereich zwischen 450 und 750 Volt. Der U/f-Wandler 5 erzeugt als Ausgangssignal 8 Impulszüge konstanter Länge, deren Frequenz f zur anliegenden Eingangsspannung proportional ist.

Dem U/f-Wandler 5 nachgeschaltet ist eine Vorrichtung zur Trennung der Potentiale von Zwischenkreisspannung 7 und Wechselrichtereinheit 1. Vorzugsweise werden dazu Optokoppler 9, 6 eingesetzt, möglich sind aber auch magnetische Koppler oder Transformatoren 6′. Zur all­ gemeinen Trennung des zwischenkreisseitigen Potentiales vom Poten­ tial der Steuerungsseite genügt prinzipiell ein einziger Optokopp­ ler 9, der unmittelbar hinter dem U/f-Wandler 5 angeordnet ist. Dem Optokoppler 9 schließt sich ausgangsseitig eine Zähler-/Registerein­ heit 10, 11 an, die wiederum mit allen Mikrorechnern 2 der Wechsel­ richtereinheiten 1 verbunden ist. Diese Lösung ist einfach und kostengünstig, bedingt aber, daß die Potentiale der Wechselrichter­ einheiten 1 untereinander nicht entkoppelt sind. Vorteilhaft ist deshalb, jeder Mikrorechner-/Wechselrichtereinheit 2, 1 eine eigene Zähler-/Registereinheit 10, 11 mit jeweils einem eigenen Optokopp­ ler 6 zuzuordnen. In diesem Fall kann das Ausgangsignal 8 des U/f-Wandlers 5 unmittelbar einem Optokoppler 6 zugeführt werden. Der Optokoppler 9 ist dann nicht zwingend erforderlich. Umgekehrt sind die Optokoppler 6 nicht zwingend erforderlich, wenn ein einzelner Optokoppler 9 vorgesehen ist.

In den den Optokopplern 9, 6 nachgeschalteten Zählern 10 wird das in Form eines Impulszuges eintreffende Signal der Zwischenkreisspannung 7 in einen digitalen Spannungswert umgewandelt. Hierzu zählt in ein­ facher Weise der Zähler 10 die Zahl der Impulse eines Impulszuges.

Das Ergebnis legt er in das Register 11 ab, auf welches der Mikro­ rechner 2 bei Bedarf über die Signalleitung 12 zugreift. Zähler 10 und Register 11 können von einer beliebigen Zeitbasis 19, 19′ mit einer Taktfrequenz F getriggert sein. Vorzugsweise eignet sich dazu die in der Wechselrichtereinheit 1 gegebene Zeitbasis. Grundsätzlich ist lediglich die Bedingung zu erfüllen, daß die Frequenz F der Zeitbasis 19 sehr klein ist gegenüber der kleinstmöglichen Fre­ quenz f des Ausgangssignales 8 des U/f-Wandlers 5. Wird eine Anord­ nung mit mehreren Optokopplern 6 gewählt, können die einzelnen Zäh­ ler-/Registereinheiten 10, 11 von Zeitbasen mit voneinander ver­ schiedenen Frequenzen F getriggert sein. Die Schnittstellen zwischen Optokoppler 6 und Zähler 10 müssen nicht aufeinander synchronisiert sein.

Das im Register 11 abgelegte Zwischenkreisspannungssignal wird über den Mikrorechner 2 unmittelbar in die Motorsteuerung übernommen. Der Mikrorechner berücksichtigt das Zwischenkreisspannungssignal bei der Berechnung der Wechselrichteransteuersignale. Dabei bleibt es dem Ermessen des Fachmanns überlassen, in welcher Weise genau das Signal in die Motorsteuerung einbezogen wird. So kann das Zwischenkreis­ spannunggsignal insbesondere auch für die Steuerung weiterer Funk­ tionen, wie beispielsweise zur Bestimmung der elektrischen Leistung genutzt werden. Die Anordnung aus Zähler 10 und Register 11 zur Umwandlung des Frequenzsignales 8 ist zweckmäßig innerhalb des Mikrorechners 2 realisiert.

Es ist selbstverständlich, daß an Stelle eines Spannungsabgriffes der Zwischenkreisspannung 7 ein Stromabgriff gewählt werden kann. Statt eines U/f-Wandlers 5 ist dann ein I/f-Wandler einzusetzen. Auch ist es möglich, die Mikrorechner-/Wechselrichtersätze 2, 1 in Gruppen aufzuteilen, wobei einer Gruppe eine gemeinsame Potential­ trennungseinrichtung vorgeschaltet ist, während den Mitgliedern der zweiten Gruppe jeweils eigene Potentialtrennungsvorrichtungen vor­ geschaltet sind.

Claims (7)

1. Anordnung zur Regelung wenigstens eines mit Hilfe pulsbreitenmo­ dulierter Signale ansteuerbaren kollektorlosen Elektromotors, mit einer eingangsseitig an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Gleichrichtereinheit, einem Gleichspannungszwischenkreis, und wenig­ stens einer Wechselrichtereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreisspannung (7) gemessen und ein dem gemessenen Spannungs­ wert entsprechendes Signal potentialfrei an wenigstens eine Wechsel­ richtereinheit (1) übermittelt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die/jede Wechselrichtereinheit (1) mit einem Mikrorechner (2) ausgerüstet ist, welcher das pulsbreitenmodulierte Ansteuersignal für die Wech­ selrichter eines Servomotors (3) in Abhängigkeit von dem an die Wechselrichtereinheit (1) übermittelten Wert der Zwischenkreisspan­ nung (7) korrigiert.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Messung und Potentialtrennung des Zwischenkreisspannungswertes durch einen U/f-Wandler (5), der einen Impulszug mit einer der Spannung entsprechenden Frequenz abgibt, und wenigstens einen dem U/f-Wandler nachgeschalteten Optokoppler (6) und/oder (9) erfolgen.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Messung und Potentialtrennung des Zwischenkreisspannungswertes durch einen U/f-Wandler (5) und einen nachgeschalteten magnetischen Kopp­ ler oder Transformator (6′) erfolgen.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Wandler (2) vorgesehen ist, der das von dem U/f-Wandler (5) abgegebene Signal in einen digitalen, der gemessenen Zwischenkreisspannung entsprechenden Wert umwandelt.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Um­ wandlung der von dem U/f-Wandler (5) abgegebenen Signale mittels eines in der Wechselrichtereinheit (1) angeordneten Zählers (10) er­ folgt, welcher die Zahl der in einem vorgegebenen Zeitintervall an­ kommenden Impulse summiert und in einem Register (11) ablegt.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (10) und das Register (11) von einer Zeitbasis (19, 19′) der jeweils zugehörigen Wechselrichtereinheit (1) getriggert werden.