DE4125892C2

DE4125892C2 - Steuerungsanordnung für einen winkelschrittgesteuerten Elektromotor

Info

Publication number: DE4125892C2
Application number: DE4125892A
Authority: DE
Inventors: Kurt Schoeller; Michael Erben
Original assignee: Individual
Current assignee: ADEO ANTRIEBSTECHNIK GMBH 68167 MANNHEIM DE
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2011-08-06
Also published as: DE4125892A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsanordnung für einen winkelschrittgesteuerten Elektromotor, der mit hoher Auflösung als Regelantrieb eingesetzt werden kann.

Solche Steuerungsanordnungen sind bisher nur mit erheblichem Regelaufwand zu realisieren. Insbesondere ist es üblicherweise nötig, zur genauen Bestimmung der Rotorposition des Elektromotors Winkeldekoder als Positionsgeber für die Motorwelle am Motor anzubringen.

Als Beispiel für den Einsatz von Positionsgebern in einer solchen Steuerungsanordnung sei die DE 30 35 919 C2 genannt, die eine Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit einem Regelkreis angibt, welchem ein weiterer Regelkreis übergeordnet ist, mit dem Ziel, auch bei hohen Beschleunigungen die Regelfähigkeit des Motors zu erhalten, ohne daß dieser blockiert. Bei dieser Steuerschaltung ist ein Positionsgeber für die Motorwelle vorgesehen, der einen von der Position der Motorwelle abhängigen Ist-Wert erzeugt. Aus dieser Patentschrift ist die Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) in einer Steuerschaltung für einen Schrittmotor mit einem Regelkreis bekannt. Dieser spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) wird von zwei Fehlersignalen angesteuert und dient zum Beeinflussen des eigentlichen Antriebsstromkreises.

Auch in der DE 34 41 451 C2 wird eine Steuerschaltung für einen Schrittmotor beschrieben, wobei an den Schrittmotor ein Inkrementalgeber bzw. Drehimpulsgeber angekoppelt ist, der für jeden durch einen Taktimpuls bewirkten Drehschritt einen Rückmeldeimpuls an eine Richtungserkennungsschaltung abgibt. Bei dieser Steuerschaltung werden einer Schritttreiberschaltung nur dann Steuerimpulse zum Fortschalten des Motorfeldes zugeführt, wenn ein Ablagezähler aufgrund der Rückmeldeimpulse eine Abweichung vom Schrittsynchronismus registriert. Je nach Größe und Richtung des vom Drehimpulsgeber festgestellten Lastwinkels wird das Motorfeld in oder gegen Solldrehrichtung weitergeschaltet. Diese Schrift gibt also eine Steuerschaltung für einen Schrittmotor an, bei der der schrittsynchrone Betrieb auch bei vergleichsweise rascher Änderung der Folgefrequenz der Steuerimpulse aufrecht erhalten werden kann, wobei unter anderem ein Ablagespeicher vorgeschlagen wird, der bei raschen, das schrittsynchrone Beschleunigungsvermögen des Motors übersteigenden Änderungen der Folgefrequenz der Steuerimpulse die auftretenden Phasenfehler speichert und nachfolgend ausgleicht.

Der EP 03 34 160 A2 ist eine Einrichtung zur Einstellung des Lastwinkels eines elektrischen Schrittmotors zu entnehmen, die eine Rotor-Lagerückmeldevorrichtung, ebenfalls direkt am Motor, aufweist, welche mit einer Lastwinkelmeßeinrichtung verbunden ist, die auf die Leistungsansteuerung des Schrittmotors einwirkt. Dadurch soll insbesondere beim Beschleunigen und Abbremsen des Motors ständig ein optimaler Motorlastwinkel gehalten werden, damit bei gegebenem Motorstrom und im vollen Schrittmotorfrequenzbereich in Halbschritten immer das maximal mögliche Drehmoment erzeugt wird.

Eine andere Problematik bei gattungsgemäßen Steuerungsanordnungen, nämlich die Anpassung des vom Motor zur Verfügung gestellten Drehmoments bei unterschiedlichen Drehzahlen an die jeweils auf den Motor wirkende Last, ist in der DE 16 38 036 B2 beschrieben. In dieser Schrift wird eine Steuereinrichtung für einen Antriebsmotor vorgeschlagen, bei der durch eine Art Rampensteuerung eine Anpassung des von dem Motor erzeugten Drehmoments an die jeweils auf den Motor wirkende Last erlaubt, so daß der Motor befähigt ist, schneller auf unterschiedliche Drehzahlen beschleunigt und von diesen auch wieder verzögert zu werden. Hierzu wird eine bestimmte Kennlinie einer Drehzahlsteuerspannung vorgeschlagen.

Aus der DE 38 91 000 T1 ist dagegen bereits ein Vorschlag für eine Treiberschaltung zu entnehmen, die einen bürstenlosen Motor antreibt und dabei keinen Positionsdetektor zum Erkennen der Position eines beweglichen Elements des Motors erfordert. Der bürstenlose Motor enthält dabei mehrphasige Treiberwicklungen. In dieser Schrift wird die Phasendifferenz zwischen der von den Motor-Treiberwicklungen erzeugten Gegen-EMK und den Schaltsignalen für die Motor-Treiberwicklungen, während Unterbrechungen der Leistungszufuhr, gemessen, so daß über eine Rückkopplungsschleife die Frequenz und die Phase der Schaltsignale abhängig von der festgestellten Phasendifferenz gesteuert werden können, um eine vorbestimmte Phasenbeziehung zwischen den Schaltsignalen und dem beweglichen Element des bürstenlosen Motors herzustellen. Eine permanente Überwachung des Lastwinkels ohne Positionsgeber ist somit nicht möglich; außerdem ist die in dieser Schrift vorgeschlagene Schaltung äußerst aufwendig.

Die US-PS 42 58 302 beschreibt eine Vorrichtung zum Synchronisieren eines Antriebssystems mit einer Inverter- Synchronmaschine, an der eine Batterie-Gleichspannung anliegt, welche einen Inverter in Form von einer Vielzahl von seriell gekoppelten Schaltelementen, wie Thyristoren, speist. Hier wird das Drehmoment und der Winkel zwischen dem Ständerstrom und der EMK ohne Winkeldekoder bestimmt, was jedoch ebenfalls keinen permanenten Zugriff auf den Lastwinkel erlaubt.

Die DE 33 43 126 C2 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Schrittmotors mit einem analogen Regelsignal. Diese Schaltungsanordnung soll zusätzliche Lagegeber überflüssig machen. Die in dieser Schrift vorgeschlagene Schaltungsanordnung erzeugt vier um 90 Grad phasenverschobene, je gegenphasige Paare von Impulsreihen, und ist somit nicht zum Betrieb eines Dreiphasen-Drehstrommotors geeignet. Der Einsatz von bisher üblichen, auch in dieser Schrift vorgesehenen Schrittmotoren, die kleine Drehstrommotoren sind, bringt jedoch erhebliche Schwierigkeiten mit sich, wie beispielsweise der DE 30 12 213 A1 zu entnehmen ist:

In der DE 30 12 213 A1 wird eine Regelanordnung für ein Motorantriebssystem zur Minimalisierung von Fluktuationen der Winkelgeschwindigkeit eines Rotorelements eines als Schrittmotor arbeitenden Synchronmotors beschrieben. Hier wird vorgeschlagen, daß ein Digitalsignal, das ein Maß für die gewünschte Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Rotorelements des Schrittschaltmotors ist, zur Berechnung eines Signals verwendet wird, das dem programmierbaren Frequenzgenerator eingespeist wird. Dieses wird dann zunächst vor der Wirksamschaltung des Frequenzgenerators mit in einem Speicher abgespeicherten Resonanzfrequenzen verglichen, um zu ermitteln, ob die berechnete Soll- Antriebsfrequenz oszillierende Fluktuationen in der resultierenden Winkelgeschwindigkeit des Rotorelements hervorrufen wird. Wird eine Übereinstimmung zwischen der Sollantriebsfrequenz und der vorher gespeicherten Resonanzfrequenz festgestellt, so werden Dämpfungsstufen aktiviert, um die Amplituden der entsprechenden Antriebsströme um einen vorgegebenen Betrag zu dämpfen, so daß im Ergebnis der Motor ohne wesentliche Drehzahlfluktuationen läuft. Der Regelaufwand des in dieser Schrift offenbarten Standes der Technik ist also sehr hoch, um die Drehzahlfluktuationen der bisher in gattungsgemäßen Regelanordnungen verwendeten Motoren zu minimieren, ohne sie jedoch ganz beseitigen zu können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Steuerungsanordnung für einen winkelschrittgesteuerten Drehstrommotor zu schaffen, die den Drehstrommotor mit einer hohen Auflösung, mit der Auflösung eines Schrittmotors vergleichbar, steuert, wobei diese Steuerungsanordnung einfach aufgebaut ist und ohne den Einsatz der bisher üblichen Positions-Istwertgeber am Motor auskommt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Synchron-Drehstrommotors in Verbindung mit der zugehörigen Steuerungsanordnung gelöst, welche enthält:

a) einen Mikroprozessor, dem ein Winkelweg als Soll- Position, ein Nennmoment, eine Stellgeschwindigkeit und eine Rampensteilheit als Daten eingegeben werden,
b) einen spannungsgesteuerten Frequenzgenerator, der eine Taktfrequenz in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung ausgibt,
c) einen Drehstromgenerator, an dessen Eingang die Taktfrequenz des Frequenzgenerators anliegt, und der ein Dreiphasen-Drehspannungssystem als Ausgangssignal ausgibt, wobei die Winkelgeschwindigkeit des Dreiphasen- Drehspannungssystems von der eingangs anliegenden Taktfrequenz so abhängt, daß jedem ankommenden Takt ein bestimmter Phasenwinkelschritt des ausgegebenen Dreiphasen-Drehspannungssystems entspricht,
d) einen Leistungsverstärker, an dessen Eingang das vom Drehstromgenerator ausgegebene Dreiphasen- Drehspannungssystem anliegt, und der einen, einerseits der Phasenlage und Winkelgeschwindigkeit des anliegenden Dreiphasen-Drehspannungssystems, andererseits der vom Synchron-Drehstrommotor aufgenommenen Leistung entsprechenden, Drehstrom erzeugt und an die Klemme des Synchron- Drehstrommotors ausgibt,
e) eine Nennmomentüberwachung, die, aufgrund der am Leistungsverstärker oder an den Klemmen des Synchron- Drehstrommotors gemessenen Ströme und Spannungen, den Lastwinkel bestimmt und daraus das Momemt feststellt und mit einer ersten Nennmomentgrenze (Nm1) vergleicht, wobei die Nennmomentüberwachung (NMÜ) bei einem Anwachsen des Momentes über die erste Nennmomentgrenze eine Ausgangsspannung erzeugt und wobei der Mikroprozessor das Nennmoment an die Nennmomentüberwachung zur Bildung der ersten Nennmomentgrenze ausgibt,
f) eine Rampensteuerung, die, zur Vermeidung einer Kippmomentüberschreitung beim Beschleunigen oder Abbremsen des Synchron-Drehstrommotors, eine rampenförmige Ausgangsspannung erzeugt, wobei der Mikroprozessor die Rampensteilheit und die Stellgeschwindigkeit an die Rampensteuerung ausgibt,
g) eine Mischstufe, die die rampenförmige Ausgangsspannung der Rampensteuerung mit der Ausgangsspannung der Nennmomentüberwachung mischt, wobei die Nennmomentüberwachungs-Ausgangsspannung gegengekoppelt zugeführt wird, und die daraus erhaltene Spannung als Eingangsspannung dem spannungsgesteuerten Frequenzgenerator zuführt,
h) einen Wegimpulszähler, der mit dem Frequenzgenerator verbunden ist und die von diesem ausgegebenen Takte zählt, wobei der den Zählerwert laufend mit einem Wegvorgabewert vergleicht, welcher zu Beginn der Ansteuerung des Frequenzgenerators vom Mikroprozessor an den Wegimpulszähler ausgegeben wird, das Ergebnis dieses Vergleichs an den Mikroprozessor ausgibt und wobei der Mikroprozessor beim Erreichen des Wegvorgabewertes die Restwegregelung, unter Berücksichtigung des Lastwinkels, übernimmt, wobei der Mikroprozessor den Lastwinkel aus der Nennmomentüberwachung erhält,
i) und einen Taktfrequenzgenerator, der die für die Funktionsfähigkeit des Mikroprozessors notwendigen Arbeitstaktimpulse an diesen ausgibt.

Erfindungsgemäß ist also erkannt worden, daß durch die Verwendung eines Synchron-Drehstrommotors viele wesentliche Probleme der bisher üblichen Regel- und Steuerantriebe beseitigt werden, da sich die Motorwelle des Drehstrommotors ausschließlich und immer synchron mit der entsprechenden Regelfrequenz dreht. Insbesondere fallen dadurch auch die Nachteile weg, die in der DE 30 12 213 A1 beschrieben sind, nämlich die Fluktuationen der Winkelgeschwindigkeit des Rotorelements eines als Schrittschaltmotor arbeitenden Gleichstrom-Synchronmotors.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Regel- bzw. Steuerungssystems ermöglicht also auf einfache Weise, ohne den Einsatz üblicher Istwertgeber (Winkeldekoder), eine Regel- bzw. Stellgenauigkeit, die bislang nur mit erheblichem Regelaufwand erreicht werden konnte.

Die Verwendung eines Synchron-Drehstrommotors bietet daneben auch den besonderen Vorteil, daß er, wie alle Drehstrommotoren, in einem großen Leistungsbereich von wenigen Watt bis mehreren Kilowatt zu betreiben ist.

Durch die Tatsache, daß die Motorwelle des Dreiphasen- Drehstrommotors immer analog der dem Drehfeld angelegten Netzfrequenz folgt, kann durch Auszählen der Taktimpulse, die Winkelstellung des Ankers stets exakt ermittelt, bzw. der Winkel-IST-Wert stets verfolgt werden.

Eine interne Nennmomentüberwachung wacht stets darüber, daß der Anker, auch bei wechselnden Belastungen, nicht das Kippmoment überschreitet, da in solch einem Falle die Winkelschrittzählung verfälscht und folglich die Regelgenauigkeit nicht mehr gegeben wäre. Aufgrund des hohen Anzugs-, wie Nennmoments des verwendeten Drehstrommotors, kann in vielen Anwendungsbereichen auf den Einsatz, bisher erforderlicher Getriebe verzichtet werden, wodurch vielfach die Stellgeschwindigkeit (gegenüber Antrieben mit Untersetzungsgetrieben) noch erhöht werden könnte, die Regelgenauigkeit in ihrer Güte aber unverändert bliebe.

Was die Regelung eines Drehstrommotors angeht, kann dieser, anhand des nachstehend beschriebenen Regel-, bzw. Steuerungssystem, nun auch in Winkelschritten exakt geführt werden, womit die Verwendung desgleichen als Stellantrieb in Regelsystemen möglich ist.

Im folgenden werden die in Fig. 1 aufgeführten Systemkomponenten, welche das Drehstrom- Winkelschritt-Regelsystem bilden, näher erläutert.

Mikroprozessor (µP)

Innerhalb des Mikroprozessors (µP) werden alle Steuersignale verarbeitet, die zur Steuerung des Drehstrommotor (Stellantriebes) erforderlich sind. Bevor aber der Drehstrommotor (DM) in Betrieb gesetzt werden kann, müssen als erstes entsprechende Angaben bezüglich des Winkelweges, falls erforderlich die Stellgeschwindigkeit, sowie ein bestimmtes Nenndrehmoment an-, bzw. eingegeben werden. Die Eingabe kann sowohl von Hand, als auch über ein angeschlossenes Rechner-Bussystem erfolgen.

Rampensteuerung (RS)

Die Rampensteuerung dient zum gleichförmigen An-, bzw. Abfahren der Motordrehzahl (n). Die Rampensteilheit (V/°) wird ausschließlich durch das Trägheitsmoment des verwendeten Motors, sowie durch die daran gekoppelte Bewegungsmasse bestimmt und wird als Festwert in den µP eingespeichert.

Spannungsgesteuerter Frequenzgenerator (VCO)

Zur Erzeugung der Motornetzfrequenz (f_cn) ist ein spannungsgesteuerter Frequenzgenerator (VCO) vorgesehen. Die darin erzeugte Frequenz (f_cn) wird durch die eingangsseitige anliegende Spannung (U_e), welche die Mischstufe (MS) liefert, bestimmt und kann von 0 Hz, bis auf einige 100 kHz hinaufgeregelt werden. Auf diese Weise ist eine stufenlose Drehzahländerung des Stellantriebes und Stellgeschwindigkeiten (v) von 0 U/sec bis n_max (n_max=f_max) möglich.

Die Frequenzregelung des VCO ist sowohl beim Beschleunigen, Abbremsen, sowie während des Laufs als Drehmomentüberwachung wirksam, da ein Schlupfsprung des Motorankers auf keinen Fall auftreten darf, sofern die Regelanforderung stets oberste Priorität bleiben soll.

Drehstromgenerator (DPG)

Die vom VCO-Generator am Drehstromgenerator (DPG) ankommende Signalfrequenz (f′_cn) wird darin in eine Dreiphasen-Drehstromfrequenz umgewandelt. Der Steuereingang (R/L), welcher vom Mikroprozessor aus gesteuert wird, dient dazu, den Drehstromgenerator (DPG), in Vorwärts-, bzw. Rückwärtsrichtung (Rechts/Linksdrehfeld) fahren zu können, wobei die Phasenlage der drei Phasen (R, S, T) stets unverändert beibehalten wird.

Leistungsverstärker (LES)

Zur Leistungsverstärkung ist dem Drehstromgenerator ein Leistungsverstärker (LES) nachgeschaltet, welcher aus der Dreiphasen-Drehstromfrequenz, die der Drehstromgenerator (DPG) liefert, einen, der aufgenommenen Motorleistung entsprechenden, Drehstrom erzeugt. Über einen Drehmomentgeber (DMG) wird der Dreiphasendrehstrom-Motor an diesen angeschlossen.

Drehstrommotor (DM)

Der Dreiphasenmotor ist ein, in Dreieckschaltung betriebener, Synchron-Drehstrommotor, auf dessen Motorachse eine Nullpunkt-Kennscheibe (NKS) befestigt ist. Anhand dieser kann die Motorachse stets am Nullpunkt (0°) positioniert, bzw. ausgerichtet werden.

Nennmomentüberwachung (NMÜ)

Die Nennmomentüberwachung erfüllt zwei Funktionen:

1. Ermittlung der Lastwinkelabweichung zur genauen Positionierung des Stellantriebes (Nm₁).
2. Nennmomentüberwachung zur Vermeidung eines Schlupfsprungs des Motorankers (Nm₂).

Der Nennmomentwert Nm₁ ist ein, dem Drehmoment der Motorwelle entsprechender Analogwert, welcher:

a) als Gegenspannung die Frequenz (f_cn) am VCO beeinflußt und
b) in digitaler Form, zwecks Lastwinkelkorrektur, sowie zur mittelbaren Kontrolle des Nennmoments vom Mikroprozessor - zu jeder Zeit - übernommen werden kann.

Wegimpulszähler (WIZ)

Anhand des Wegimpulszählers werden die Wegimpulse (f′_cn), welche den Eingang des Drehstromgenerators (DPG) passieren, gezählt. Sie entsprechen analog der Winkelstellung des Motorankers (zuzüglich Lastwinkel), wodurch eine, je nach Auflösungsgrad (Impulse/Grad), exakte Wegerfassung, bzw. Positionierung des Motorankers ermöglicht wird.

Frequenz-/Spannungsregler (FSR)

Die Frequenz-/Spannungsregelung ist erforderlich, um die Betriebsspannung des Drehstrommotors (U_b) analog der Motornetzfrequenz (f_n) entsprechend anzupassen.

Taktfrequenzgenerator (CLG)

Für das einwandfreie Funktionieren des gesamten Steuer- und Regelsystems wird ein entsprechender Taktimpuls (f_cl) benötigt. Dieser, sowie weitere Taktfrequenzen (f_c_), werden im Taktfrequenzgenerator (CLG) erzeugt.

Funktionsbeschreibung

Sind dem Mikroprozessor (µP) die entsprechenden Arbeitskoordinaten (Winkelweg, Nenndrehmoment, Stellgeschwindigkeit und Drehrichtung R/L) eingegeben worden, so werden diese entsprechend aufgeschlüsselt und an die jeweiligen Systemkomponenten (WIZ, NMÜ, FSG und DPG) weitergegeben.

Anmerkung: Für den Fall daß keine Stellgeschwindigkeit, sowie kein Nenndrehmoment angegeben wird, werden stets die maximalen Nennwerte (V_max; M_max), welche systembezogen fest einprogrammiert sind, angestrebt.

Der Drehstrommotor (DM) kann nun durch Auslösen des "Start"-Signals (ST) in Betrieb gesetzt werden.

Als erstes erfolgt die Ansteuerung der Rampensteuerung (RS), dessen Ausgangsspannung rampenförmig (Fig. 2) über die Mischstufe (MS) zum Frequenzgenerator (VCO) geführt wird. Dieser erzeugt nun analog zur Eingangsspannung die zur Motoransteuerung erforderliche Taktfrequenz (f_cn). Der Drehstromgenerator (DPG) formt die ankommende Taktfrequenz (f′_cn) in eine Dreiphasen-Drehstromfrequenz um, in deren Frequenzrhythmus der anschließende Leistungsverstärker (LES) angesteuert wird. Über einen Drehmomentgeber schließlich wird der angeschlossene Drehstrommotor (DM) mit dem entsprechenden Drehstrom gespeist, dessen Anker sich - synchron - mit dem Netzdrehfeld der Drehstrom frequenz (f′_n) bewegt.

Die im Frequenzgenerator (VCO) erzeugte Taktfrequenz (f′_cn) wird, außer zur Drehstromerzeugung, zur Winkelwegerfassung des Motorankers benutzt und als weiteres dem Wegimpulszähler (WIZ) zugeführt. Die hier ankommenden Frequenzimpulse werden aufeinander gezählt und stets mit dem - eingespeicherten - Wegvorgabewert verglichen.

Entspricht schließlich die Summe der Zählimpulse dem Wegvorgabewert, welcher sich aus dem Soll-Winkelweg abzüglich einem Restweg ergibt, so wird dies dem Mikroprozessor (µP) mitgeteilt, worauf dieser von diesem Moment an die Regelung des Restweges übernimmt (Fig. 2). Der Mikroprozessor (µP) hat den Soll-Winkelweg und den Restweg eingespeichert und vergleicht diese Werte nun seinerseits mit den ankommenden Zählimpulsen der Taktfrequenz (f′_cn). Nach einer festgesetzten Impulszahl beginnt er als nächstes, die Motordrehzahl über die Rampensteuerung (RS), bis auf eine Mindestdrehzahl (V_min) zu reduzieren. Der Drehstrommotor (DM) wird dann mit dieser minimalen Drehgeschwindigkeit, bis zum Soll-Winkelweg, weitergefahren (Fig. 2).

Während der Motor nun mit einer Mindestdrehzahl - konstant - weiterläuft wird die Lastwinkelabweichung des Motorankers zum Netzdrehfeld erfaßt, d. h. in den Mikroprozessor (µP) eingelesen und dem Wegsollwert hinzuaddiert. Ist schließlich die Zahl der eintreffenden Zählimpulse dem Wert des Weg- Sollwerts plus Lastwinkelabweichung gleich, wird der Motor, durch Abschalten des AE-Signals, gänzlich stillgesetzt (f′_cn=n=0), denn der Motoranker hat seine SOLL- Position erreicht.

Da in den meisten Anwendungsfällen immer wieder aus einer erreichten Position, die schließlich eine Ausgangsposition für weitere Positionen darstellt, immer wieder neue angefahren werden sollen, oder müssen und folglich die gesammelten Weginformationen nicht verloren gehen dürfen, darf folglich der Motoranker seine zuletzt eingenommene Winkelposition nicht eigenmächtig verlassen. Für diese Zeitspanne, in dieser der Motor (DM) still steht (f′_cn=n=0), bleibt eine sogenannte Ständerstillstandspannung (U₀), in der Phasenlage, die der momentanen Position entspricht, erhalten und bewirkt auf diese Weise, daß der Motoranker somit seine angesteuerte Position beibehält.

Ein erneuter Anlauf des Drehstrommotors (DM), mit neuen, oder den gleichen Arbeitskoordinaten ist jederzeit, durch die Eingabe eines Start-Signals (ST) möglich. Vielfach aber wird es der Fall sein, daß der Motor (DM) aber nicht nur in einer, sondern nach zwei Richtungen (Rechts-/Linkslauf) betrieben werden soll. Die Richtungsumkehr des Drehstrommotors (DM), welche durch die Richtungsumkehr des Drehfeldes bewirkt wird, erfolgt innerhalb dieses Regelsystems in der Tat durch die Richtungsumkehr des Drehfeldes innerhalb des Drehstromgenerators (DPG) und nicht wie üblich durch Vertauschen der beiden Außenphasen. Je nach Drehrichtung des Motors (DM) liefert dieser einmal ein Rechts- bzw. Linksdrehfeld unter Beibehaltung der angeschlossenen Phasen. Diese Art der Richtungsumkehr ist zwingend erforderlich, da der Motoranker nur auf diese Weise exakt aus seiner zuletzt eingenommenen Position heraus in eine neue gefahren werden kann.

Grundsätzlich ist, insbesondere bei jeder Inbetriebnahme, oder vor Prozeßbeginn stets von größter Wichtigkeit, das Regelsystem, in diesem Falle den Stellantrieb in einen definierten Zustand (Motorachse auf 0°) zu bringen, um eine exakte Regelpositionierung vornehmen zu können. Dazu ist eine Nullpunkt-Kennungs-Routine vorgesehen, welche die Motorachse exakt auf dem Nullpunkt positioniert. Eigens dafür ist auf der Nullpunkt-Kennscheibe (NPKS) ein sogenanntes Nullpunkt-Kennfeld (NPKF; Fig. 1; 4) aufgebracht, das ca. ±20° um den Nullpunkt der Motorachse angeordnet ist.

Wird die Nullpunkt-Kennungs-Routine gestartet, so dreht sich die Nullpunkt-Kennscheibe ebenso mit. Ein in der Nähe des Nullpunktes angebrachter Kennungssensor registriert die ungefähre Nullpunktposition der Motorachse, sobald sich das Nullpunkt-Kennfeld diesem nähert. Dieses Nullpunkt-Kennfeldsignal (NPK) wird unmittelbar an den Mikroprozessor (µP) weitergeleitet, wobei dieser von dieser Zeit an darüber wacht, bis die Steuerlogik des Drehstromgenerators (DPG) den Frequenznullpunkt (0°) erreicht, dies dem Mikroprozessor (µP) meldet und dieser alsdann den Motor anhält. Diese Stellung der Motorachse ist alsdann der genaue Nullpunkt, von dem aus nun die weitere Regelpositionierung erfolgen kann.

Eine exakte Winkelschrittsteuerung des an diesem Regelsystem angeschlossenen Drehstrommotors (DM) ist nur möglich, solange der Motoranker stets synchron der Drehstromfrequenz (f′_cn) folgt. Es ist daher von größter Wichtigkeit, daß dieser das Kippmoment (M_K) zu keinem Zeitpunkt erreicht, oder gar überschreitet. Aus diesem Grunde ist eigens dazu eine Nennmomentüberwachung (NMÜ; Fig. 1) vorgesehen, die sich an zwei Nennmomentwerten (Nm1; Nm2) orientiert. Übersteigt der am Drehmomentgeber (DMG) aufgenommene Wert die Nennmomentgrenze (Nm1), so steigt von diesem Augenblick an die Ausgangsspannung des Nm1-Verstärkers proportional an. Dieses Spannungssignal wird als Gegenkopplung der Mischstufe (MS; Fig. 1) zugeführt, dessen Ausgangsspannung darauf vermindert wird, was schließlich zur Frequenzminderung (f_cn) des Frequenzgenerators (VCO) führt. In dessen Folge mindert sich analog die Motornetzfrequenz (f_n), damit verbunden die Motordrehzahl und schließlich das Drehmoment des Motorankers (Fig. 3). Für den Fall, daß das Drehmoment, trotz Drehzahlminderung, dennoch weiter ansteigen soll und schließlich den Nennmomentgrenzwert (Nm2) erreicht werden sollte, wird alsdann der Ausgang des Nm2-Schwellwertgebers (Fig. 1) aktiv, was die sofortige Stillsetzung des Drehstrommotors (DM) zur Folge hat (Fig. 3).

Claims

1. Steuerungsanordnung für einen winkelschritt gesteuerten Synchron-Drehstrommotor, mit:

a) einem Mikroprozessor (µP), dem ein Winkelweg als Soll-Position, ein Nennmoment, eine Stellgeschwindigkeit und eine Rampensteilheit als Daten eingegeben werden,
b) einem spannungsgesteuerten Frequenzgenerator, (VCO), der eine Taktfrequenz (f_cn) in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung ausgibt,
c) einem Drehstromgenerator (DPG), an dessen Eingang die Taktfrequenz (f_cn) des Frequenzgenerators (VCO) anliegt, und der ein Dreiphasen- Drehspannungssystem als Ausgangssignal ausgibt, wobei die Winkelgeschwindigkeit des Dreiphasen- Drehspannungssystems von der eingangs anliegenden Taktfrequenz (f_cn) so abhängt, daß jedem ankommenden Takt ein bestimmter Phasenwinkelschritt des ausgegebenen Dreiphasen- Drehspannungssystems entspricht,
d) einem Leistungsverstärker (LES), an dessen Eingang das vom Drehstromgenerator (DPG) ausgegebene Dreiphasen-Drehspannungssystem anliegt, und der einen, einerseits der Phasenlage und Winkelgeschwindigkeit des anliegenden Dreiphasen- Drehspannungssystems, andererseits der vom Synchron-Drehstrommotor (DM) aufgenommenen Leistung entsprechenden, Drehstrom erzeugt und an die Klemme des Synchron-Drehstrommotors (DM) ausgibt,
e) einer Nennmomentüberwachung (NMÜ), die, aufgrund der am Leistungsverstärker (LES) oder an den Klemmen des Synchron-Drehstrommotors (DM) gemessenen Ströme und Spannungen, den Lastwinkel bestimmt und daraus das Momemt feststellt und mit einer ersten Nennmomentgrenze (Nm1) vergleicht, wobei die Nennmomentüberwachung (NMÜ) bei einem Anwachsen des Momentes über die erste Nennmomentgrenze (Nm1) eine Ausgangsspannung erzeugt und wobei der Mikroprozessor (µP) das Nennmoment an die Nennmomentüberwachung (NMÜ) zur Bildung der ersten Nennmomentgrenze (Nm1) ausgibt,
f) einer Rampensteuerung (RS), die, zur Vermeidung einer Kippmomentüberschreitung beim Beschleunigen oder Abbremsen des Synchron-Drehstrommotors (DM), eine rampenförmige Ausgangsspannung erzeugt, wobei der Mikroprozessor (µP) die Rampensteilheit und die Stellgeschwindigkeit an die Rampensteuerung ausgibt,
g) einer Mischstufe (MS), die die rampenförmige Ausgangsspannung der Rampensteuerung (RS) mit der Ausgangsspannung der Nennmomentüberwachung (NMÜ) mischt, wobei die Nennmomentüberwachungs- Ausgangsspannung gegengekoppelt zugeführt wird, und die daraus erhaltene Spannung als Eingangsspannung dem spannungsgesteuerten Frequenzgenerator (VCO) zuführt,
h) einen Wegimpulszähler (WIZ), der mit dem Frequenzgenerator (VCO) verbunden ist und die von diesem ausgegebenen Takte zählt, wobei der den Zählerwert laufend mit einem Wegvorgabewert vergleicht, welcher zu Beginn der Ansteuerung des Frequenzgenerators (VCO) vom Mikroprozessor (µP) an den Wegimpulszähler (WIZ) ausgegeben wird, das Ergebnis dieses Vergleichs an den Mikroprozessor (µP) ausgibt und wobei der Mikroprozessor (µP) beim Erreichen des Wegvorgabewertes die Restwegregelung, unter Berücksichtigung des Lastwinkels, übernimmt, wobei der Mikroprozessor (µP) den Lastwinkel aus der Nennmomentüberwachung (NMÜ) erhält,
i) und einem Taktfrequenzgenerator (CLG), der die für die Funktionsfähigkeit des Mikroprozessors (µP) notwendigen Arbeitstaktimpulse an diesen ausgibt.

2. Steuerungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen des Drehstromgenerators (DPG) analog der Winkelgeschwindigkeit des Dreiphasen- Drehspannungssystems über einen Frequenz-/Spannungsregler (FSR) einstellbar sind.

3. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (µP) zur Richtungsumkehrung des Synchron-Drehstrommotors (DM) zusätzlich direkt mit dem Drehstromgenerator (DPG) verbunden ist und diesen unter Beibehaltung der Phasenlagen (R, S, T), bezüglich der Phasendrehrichtung umschaltet.

4. Steuerungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der Soll-Position der Motoranker gegen unbeabsichtigtes Weiterdrehen, durch Aufschalten einer Stillstandspannung (U₀), unter Beibehaltung der Phasenlage der Phasen (R, S, T) gesichert ist.

5. Steuerungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennmomentüberwachung (NMÜ) zur Vermeidung einer Kippmomentüberschreitung eine zweite Nennmomentgrenze (Nm2) aufweist, sowie über Signalleitungen mit dem Eingang des Frequenzgenerators (VCO) und mit dem Mikroprozessor (µP) verbunden ist, wobei die Nennmomentüberwachung (NMÜ) die Taktfrequenz (f_cn) sofort stoppt und den Vorgang an dem Mikroprozessor (Ü) meldet, sobald das ermittelte, momentane Nennmoment diese zweite Nennmomentgrenze (Nm2) übersteigt.

6. Steuerungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorachse anhand einer Nullpunkt- Kennungsroutine, aufgrund einer Nullkennungsscheibe (NKS), die auf der Motorachse montiert ist und über ein Nullpunktkennfeld (NPKF), welches über einen Sensor (NPS) abgetastet wird, die Null-Grad- Position gefahren werden kann.

7. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Frequenzgenerator (VCO) eine variable Frequenz (f_cn) liefert, dessen Frequenzspektrum zum einen von der Auflösungsgenauigkeit und darüber hinaus von der maximalen Motordrehzahl abhängig ist.