DE4116085A1

DE4116085A1 - Verfahren zur zyklisch absoluten wegemessung bei einer sich drehenden welle

Info

Publication number: DE4116085A1
Application number: DE4116085A
Authority: DE
Inventors: Stefan Zwolsky
Original assignee: KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1991-05-16
Filing date: 1991-05-16
Publication date: 1992-11-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zyklisch absoluten Wegemessung bei einer sich drehenden Welle gemäß der im Oberbegriff des Anspruch 1 angegebenen Merkmalskombination. Die beiden Funktionen des Sinus (sin) und des Cosinus (cos) des Drehwinkels der Welle, aus denen sich genau der jeweils zurückgelegte Winkelweg bestimmen läßt, werden in bekannter Weise mit Hilfe eines als Resolver bekannten Drehmelders gewonnen, dessen Rotor mit der Welle fest gekoppelt ist und sich zusammen mit dieser dreht. Derartige Meßgeräte sind teuer und aufwendig.

Bekannt ist es auch, bei bürstenlosen Gleichstrommotoren mit Hilfe elektronischer Mittel eine Lagemessung der rotierenden Motorwelle durchzuführen. Hierbei ist jedoch keine Lageerkennung bei Stillstand des Rotors möglich (Zeitschrift PCIM Europe, Aprilil 1991).

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine zyklisch absolute Wegemessung ohne Verwendung eines solchen Resolvers oder ähnliche Meßeinrichtung zu erreichen, die auch bei Stillstand eine Rotorlageerkennung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmalskombination im Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst. Durch die Drehung des Rotors der Drehstromsynchronmaschine, der ja ein magnetisches Koppelelement zwischen den einzelnen Spulen, sei es als Permanentmagnet, sei es als eine vom Gleichstrom durchflossene Wicklung, bildet, wird die Induktivität, die das Referenzsignal an den einzelnen Wicklungen beeinflußt, geändert. Entsprechend schwankt seine Amplitude.

Wird nämlich den drei Phasenwicklungen im Stator einer solchen Drehstromsynchronmaschine ein sinusförmiges Signal phasengleich zugeführt (im Gegensatz zum eigentlichen Leistungssollwert), so wird der Strom in den Statorwicklungen zunächst nur durch die Lenzßsche Selbstinduktion begrenzt. Diese Selbstinduktion entsteht durch die Flußänderung in der Wicklung und hemmt den Stromfluß. Diesem durch das sinusförmige Referenzsignal bedingten Fluß wird das statische Magnetfeld des Rotors stellungsabhängig überlagert und beeinflußt die Amplitude des Referenzsinus in jeder Statorwicklung. Aufgrund der Lage des Rotors findet in den drei Statorspulen eine für die Lage spezifische Beeinflussung in jeder Wicklung statt, und zwar gleichzeitig. Durch die Beaufschlagung der Phasenwicklung mit einem solchen sinusförmigen Referenzsignal wird daher eine Rotorlageerkennung auch im Stillstand erreicht.

An den Wicklungen des Stators ist dann eine Spannung meßbar, die als Summe des Referenzsinus und der durch die Rotorlage verursachten Veränderung aufgefaßt werden kann. Wird der Referenzsinus von diesem Meßsignal subtrahiert, so bleibt die Hüllkurve des Meßsignals als spezifischer Wert für die Rotorlage zyklisch absolut als Ergebnis.

Bei Drehung des Rotors ergeben sich also Schwankungen, die die Hüllkurve des Meßsignals bilden und in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Rotors signusförmig verlaufen, und zwar in jeder Wicklung bzw. jedem Strang der Maschine zeitlich versetzt entsprechend der räumlichen Versetzung der einzelnen Wicklungen oder Stränge im Stator. Bei einer Dreiphasenmaschine ergeben sich also drei jeweils 120° voneinander phasenverschobene Sinusschwingungen, und zwar bei einer Maschine mit einem Polpaar eine Schwingung pro 360°-Umdrehung des Rotors, bei zwei Polpaaren zwei Schwingungen für eine vollständige Rotorumdrehung (eine nach jeder 180°-Drehung) usw.

Das Wesen der Erfindung besteht in der Ausnutzung dieser Schwankungen, welche die Winkelstellung des Rotors relativ zur jeweiligen Wicklung kennzeichnen. Aus diesen Meßsignalen bzw. aus deren sinusförmiger Hüllkurve können erfindungsgemäß durch vektorielle Addition zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Sinusschwingungen (Sinus und Cosinusfunktion) gewonnen werden, aus denen wie bei den eingangs erwähnten Resolvern die jeweilige Winkelstellung der Welle ermittelt werden kann. Dies gilt auch bei Stillstand, da der Einfluß des Rotorfeldes auf jede einzelne, räumlich gegenüber der jeweils anderen versetzt angeordnete Statorwicklung und damit auf deren Induktivität in jeder Stellung des Rotors für diese Stellung charakteristisch und kennzeichnend ist und sich jeweils in einer entsprechenden anderen von der jeweiligen Wickelstellung abhängigen Amplitude des Referenzsignals ausdrückt. Die sinusförmig schwankende Hüllkurve kann aus dem Meßsignal mit Hilfe an sich bekannter Mittel, beispielsweise durch Subtrahieren des Referenzsignals und des in jeder Phase noch zugeführten eigentlichen Leistungssollwertes vom Meßsignal jeder Phasenwicklung, durch Demodulation, Filtern oder sonstigen, dem Fachmann geläufige Maßnahmen abgetrennt bzw. gewonnen werden.

Die bei der vektoriellen Addition entstehenden beiden um 90° phasenverschobenen Schwingungen bzw. Sinussignale haben zunächst im allgemeinen ungleich große Amplituden. Da jedoch das Amplitudenverhältnis bekannt ist, läßt sich bereits hieraus die jeweilige Winkelstellung des Rotors und damit der Welle feststellen. In Weiterbildung der Erfindung ist es natürlich vorteilhaft, wie in Anspruch 2 angegeben, beide Signale mit gleich großer Amplitude herzustellen.

Bei Drehung des Rotors wird das Referenzsignal neben der Beeinflussung durch das statische Rotorfeld während der Selbstinduktionsphase auch durch die generatorische Spannung (die durch die Motordrehung entsteht) beeinflußt, und zwar gleichsinnig, d. h. die Beeinflussung des Referenzsinus und damit die Lageinformation wird mit steigender Drehzahl größer und schneller. Dem kann, wie durch Anspruch 3 vorgesehen, durch die Verwendung eines drehzahlabhängigen Verstärkungsfaktors, der mit sinkender Drehzahl allmählich größer wird, entgegengewirkt werden.

In Anspruch 4 ist eine erfindungsgemäße Merkmalskombination zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens angegeben. Mit dieser erhält man die beiden, die Winkelstellung der Welle kennzeichnenden Signale durch die erwähnte vektorielle Addition gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren. Dem Fachmann bleibt es überlassen, welche der zahlreichen, ihm bekannten Maßnahmen zum Demodulieren, Ausfiltern und sonstigen bekannten Verfahren zum Abtrennen der dem Meßsignal aufmodulierten Schwankungsfrequenz er hierbei verwenden will.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und schematisch anhand eines Dreiphasensynchronmotors dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipschaltung zur Durchführung der Erfindung mit einem Drehstromsynchronmotor,

Fig. 2 eine Kurve des zeitlichen Verlaufs des an den Klemmen einer Phasenwicklung eingespeisten Signals,

Fig. 3 die beiden sinusförmig verlaufenden Schwankungen des Meßsignals nach vorausgegangener Entfernung des jeweiligen Leistungssollwertsignals und nach vektorieller Addition und

Fig. 4 ein Beispiel der vektoriellen Addition bei einer Dreiphasenwicklung.

Gemäß Fig. 1 werden sowohl das Referenzsignal u_o, z. B. ein Signal von etwa 6 kHz, als auch der eigentliche Leistungssollwert U, z. B. eine Spannung mit der Frequenz zwischen 0 und 150 oder 300 Hz, für den Dreiphasendrehstromsynchronmotor (1) einer Schaltungsanordnung (2) zugeführt. Durch diese werden sie, gegebenenfalls nach Verstärkung, aufbereitet und miteinander auf die Dreiphasenspeiseleitung (3) gegeben. An den Klemmen der ersten Phasenwicklung liegt somit beispielsweise ein Signal, dessen zeitlicher Verlauf aus Fig. 2 ersichtlich ist. Es setzt sich zusammen aus dem Leistungssollwert U dieser Phasenwicklung und dem Referenzsignal u_o. Der Signalverlauf an den beiden anderen Phasenwicklungen unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 2 nur dadurch, daß dort der jeweilige Leistungssollwert der betreffenden Phase in bekannter Weisung um jeweils 120° bzw. 240° phasenverschoben ist.

Die an den Dreiphasenwicklungen entstehenden Schwankungen der Signalamplituden werden über eine Dreiphasenleitung (4) abgegriffen und einer weiteren Schaltungsanordnung (5) zugeführt. Dort wird die Schwankungsfrequenz von dem empfangenen Meßwert abgetrennt, wobei der Leistungssollwert U und das Referenzsignal u_o vom gemessenen Signal subtrahiert werden, so daß nach der in Fig. 4 dargestellten vektoriellen Addition der phasenverschobenen Spannungen am Ausgang (6) der Schaltungsanordnung (5) zwei um 90° verschobene Sinussignale auftreten, die den zurückgelegten Winkelweg darstellen.

Aus den von den Motorwicklungen über die Leitung (4) abgenommenen Meßwerten erhält man nach der Demodulation drei um jeweils 120° voneinander phasenverschobenen Spannungen entsprechend den drei Wicklungen bzw. Strängen des Motors, die in Fig. 4 als Vektoren V dargestellt sind. In diesem Beispiel werden zur Herstellung der beiden gewünschten, um 90° phasenverschobenen Signale der Vektor V_0° der ersten Wicklung und ein weiterer Vektor V_90° benutzt, der, wie aus Fig. 4 ersichtlich, der einfach durch vektorielle Addition der beiden Vektoren V_120° und V_240° der beiden anderen Wicklungen erzeugt wird, wobei selbstverständlich das Vorzeichen des einen Vektors, hier des Vektors V_240°, geändert werden muß, um die gewünschte 90°-Phasenbeziehung herzustellen. Um gleich große Amplituden der beiden gesuchten Meßsignale zu erhalten, ist der Vektor V_90°, wie ohne weiteres erkennbar, noch mit einem Skalar, also einem konstanten Faktor a, zu multiplizieren. Dessen Wert beträgt, wie aus den Winkelbeziehungen des hier dargestellen Dreiphasensystems ersichtlich, 1/.

Fig. 3 zeigt die Schwankung der Amplituden des Referenzsignals an den drei Wicklungen bzw. Strängen W₁, W₂, und W₃ des Motors in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors (7). Der eigentliche Leistungssollwert, der zum Betrieb des Motors erforderlich ist, ist bei dieser Darstellung bereits entfernt, sei es durch Subtrahieren sei es durch Wegfiltern. Die obere Kurve der Fig. 3 zeigt die sinusförmige Schwankung der Referenzsignalamplituden an der ersten Wicklung W₁, die untere Kurve zeigt den um 90° phasenverschobenen Schwankungsverlauf nach vorausgegangener vektorieller Addition der Signale an den Wicklungen W₂ und W₃ gemäß Fig. 4.

Der Grundgedanke der Erfindung ist natürlich, wie leicht einzusehen, nicht nur bei einem Drehstromsynchronmotor, sondern auch bei einem Drehstromsynchrongenerator anwendbar, bei dem ebenfalls die jeweilige augenblickliche Stellung seiner Rotorwelle interessiert.

Stückliste

1 Dreiphasendrehstromsynchronmotor
2 Schaltungsanordnung
3 Dreiphasenspeiseleitung
4 Dreiphasenleitung
5 Schaltungsanordnung
6 Ausgang
7 Rotor
W₁ Phasenwicklung
W₂ Phasenwicklung
W₃ Phasenwicklung

Claims

1. Verfahren zur zyklisch absoluten Wegemessung bei einer sich drehenden Welle mittels zweier gegeneinander um 90° phasenverschobener, jeweils dem Sinus (sin) und dem dem Cosinus (cos) des durchlaufenden Winkelwegs entsprechenden Funktionen, dadurch gekennzeichnet, daß den mindestens drei Phasenwicklungen einer Drehstromsynchronmaschine, die über ihren Rotor die Welle antreibt, zusätzlich zu den die Motorleistung erbringenden Speisespannungen ein sinusförmiges Referenzsignal anderer Frequenz allen Motorwicklungen zeitgleich zugeführt wird, daß die bei Drehung des Rotors an den verschiedenen, räumlich versetzten Phasenwicklungen auftretenden Schwankungen der Induktivität und der dadurch bedingten Schwankungen der Referenzsignalamplitude erfaßt und daraus durch Abtrennen der Schwankungsfrequenz von dem Referenzsignal und vektorielle Addition der Signale von wenigstens zwei Wicklungen zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Signale der Schwankungsfrequenz erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der beiden phasenverschobenen Signale mit einem Skalar zur Erzielung gleich großer Amplituden multipliziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden phasenverschobenen Signale drehzahlabhängig verstärkt werden.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Drehstromsynchronmaschine (1) mit mindestens drei Phasenwicklungen, deren Rotor an die Welle gekoppelt ist, eine Schaltungsanordnung (2) zum Zuführen der Speisespannungen und des Meßsignals zu den Speiseleitungen (3) des Motors (1) sowie eine Schaltungsanordnung (5) zur Erzeugung der beiden um 90° phasenverschobenen Signale der Schwankungsfrequenz aus der Hüllkurve des an den Motorklemmen abgegriffenen Meßsignals.