DE4431376C1

DE4431376C1 - Positionierregelkreis

Info

Publication number: DE4431376C1
Application number: DE19944431376
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Popp; Guenther Dipl Ing Unterberg
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1994-08-29
Filing date: 1994-08-29
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2014-08-30

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionierregelkreis für elektromotorisch betätigte kontinuierliche Stellantriebe in der Prozeßautomatisierung.

In einem derartigen Stellantrieb treibt ein Elektromotor über ein Untersetzungsgetriebe zur Anpassung von Steilweg und Stellzeit an den Bedarfsfall ein Stellglied an. Derartige Stellglieder umfassen beispielsweise Hebel in Hebelantrieben, Spindeln in Schubantrieben und Wellen in Drehantrieben, die auf eine vorgebbare Sollposition eingestellt werden. Bei Stellantrieben zur kontinuierlichen Positionierung von Stellgliedern proportional zu einem vorgegebenen Sollwert steht der Antriebsmotor in ständigem Eingriff und entwickelt das zur Positionierung erforderliche Moment entsprechend der Abweichung zwischen Soll- und Istwert der Position des Stellgliedes. Die Positionierabweichung wird über einen Positionierverstärker als Spannungsänderung am Antriebsmotor wirksam.

Wegen nichtlinearer Parameter des Stellantriebes, wie beispielsweise Haftreibungen, ist für den Positionierverstärker eine hohe Proportionalverstärkung erforderlich, deren Betrag mit der geforderten Positioniergenauigkeit wächst.

Die Kombination Antriebsmotor mit Getriebe stellt regelungstechnisch einen Integrator zweiter Ordnung mit vorgegebener niedriger Grenzfrequenz dar. Das bedeutet, daß bereits bei geringer Proportionalverstärkung des Positionierverstärkers, mit der nur eine unbefriedigende Positioniergenauigkeit realisierbar ist, das Stabilitätskriterium des Positionierregelkreises überschritten wird. Folglich schwingt der Stellantrieb, wodurch sich einerseits der Lagerverschleiß erhöht und andererseits die Positionierzeit verlängert.

Um trotzdem eine hohe Positioniergenauigkeit zu erzielen, ist es beispielsweise aus der Gebrauchsanweisung 42/68-206-4 "Elektrische Schubantriebe Typ: RS50, RS100", der Fa. Schoppe & Faeser GmbH bekannt, den Stellantrieb mit einem Tachogenerator auszustatten, wobei die Tachospannung derart in den Positionierregelkreis eingespeist wird, daß drehzahlabhängig die dynamische Kreisverstärkung des Positionierregelkreises und damit die Spannung des Antriebsmotors reduziert wird, um die Stabilitätsbedingungen erfüllen zu können.

Trotz der höheren erzielbaren Positioniergenauigkeit ist die Einbeziehung eines Tachogenerators in den Positionierregelkreis mit einer Reihe von Nachteilen, verbunden. Die mechanische Ankopplung des Tachogenerators ist stets spiel- und toleranzbehaftet, so daß im Kleinsignalbereich Resonanzen auftreten, die zu einer unruhigen Positionierung und langfristig zu Lagerschäden führen.

Darüber hinaus ist aus der DE 40 25 847 A1 ein System zur Regelung eines Stellwerkes in einem Kraftfahrzeug bekannt, bei dem in Abhängigkeit vom Vergleich eines Sollwertes mit einem Signal, das die tatsächliche Position des Stellwertes angibt, ein Regler eine Stellgröße an das Stellwerk abgibt. Der Sollwert hängt dabei von der gewünschten Stellwerksposition und dem Ausgangssignal eines Führungsformers ab. Dabei erzeugt ein parallel geordnetes Modell, ausgehend von dem Sollwert durch Nachbildung des Regelkreises, einen Schätzwert für den Istwert, wobei der Schätzwert das Übertragungsverhalten des Führungsformers beeinflußt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Positionierregelkreis zur proportionalen Positionierung eines Stellgliedes eines kontinuierlichen Stellantriebes hoher Positioniergenauigkeit anzugeben, der die Nachteile bekannter Positionierregelkreise vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dazu ist in Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Positionierregelkreises angegeben. Ein Antriebsmotor 20 positioniert über ein Getriebe 30 ein Stellglied 40 gegen eine Last 50. Das Stellglied 40 ist mit Mitteln zur Aufnahme der Position des Stellgliedes 40, nachfolgend als Positionssensor 60 bezeichnet, ausgestattet. Am Positionssensor 60 ist der Istwert x_i der aktuellen Position des Stellgliedes 40 als Spannung abnehmbar. Der Istwert x_i und ein als Spannung vorgegebener Sollwert x_S sind dem Positionierverstärker 10 zugeführt, der ausgangsseitig mit dem Antriebsmotor 20 verbunden ist. Der Positionierverstärker 10 ist mit Mitteln zur Umsetzung der Positionierabweichung x_S-x_i in eine proportionale Ausgangsfrequenz f_s ausgestattet. Der Antriebsmotor 20 ist als Asynchronmotor ausgeführt. Die Steuerung des Antriebsmotors 20 erfolgt über die Statorfrequenz f_s, die Ausgangsfrequenz des Positionierverstärkers 10 ist. Dabei stellt sich eine Rotorwinkelgeschwindigkeit ω_r ein, die so rückgeführt ist, daß die Rotorfrequenz f_r gleich der Differenz aus der Statorfrequenz f_s und der Rotorwinkelgeschwindigkeit ω_r ist.

Dabei wird die Amplitude der Statorfrequenz f_s konstant gehalten. Es kann jedoch vorgesehen sein, die Amplitude der Statorfrequenz f_s partiell für einen vorgegebenen Frequenzbereich zu variieren. Durch die Anpassung der Amplitude der Statorfrequenz f_s läßt sich die thermische Beanspruchung des Antriebsmotors 20 insbesondere bei niedrigen Frequenzen reduzieren.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Positionierverstärker 10 mit Mitteln zur Begrenzung der maximalen Statorfrequenz f_s ausgestattet.

Trotz entfallener Tachometerdämpfung ist der Positionierregelkreis auch bei hohen statischen Verstärkungen, wie sie bei hohen Positioniergenauigkeiten erforderlich sind, stabil. Entscheidend für die Stabilität ist die Methode der Drehmomentvariation. Das Rotormoment wird als Funktion der Regelabweichung mittels Schlupfvariation über die Statorfrequenz f_s dem Lastmoment angepaßt. Da die Schlupffrequenz sowohl von der Statorfrequenz f_s als, auch von der Rotordrehzahl abhängt ergibt sich eine gegenkoppelnd wirkende Rückführung der Rotorwinkelgeschwindigkeit ω_r, ohne daß eine Hardwareverbindung realisiert werden muß. Damit wird die Kreisverstärkung des Positionierregelkreises dynamisch reduziert. Durch Begrenzung der maximalen Statorfrequenz f_s ins Großsignalbereich wird das Stellglied 40 unter den gegebenen Lastbedingungen mit maximaler Geschwindigkeit in Richtung Sollposition verfahren. Mit zunehmender Annäherung an die Sollposition und damit abnehmender Positionierabweichung sinkt die zur Positionierabweichung proportionale Statorfrequenz f_s unter die maximale Statorfrequenz, so daß im Kleinsignalbereich die vorgegebene hohe statische Verstärkung zur genauen Positionierung des Stellgliedes 40 auf Sollposition in vollem Umfange wirksam wird.

In vorteilhafter Weise wird die stabilitätserhaltende dynamische Verstärkungsreduktion frei von mechanischen Toleranzen, Reibungen und Losen ausschließlich auf elektrischem Wege realisiert. Darüber hinaus ist die elektrisch bewirkte dynamische Verstärkungsreduktion sehr präzise einstellbar und reproduzierbar, so daß der Positionierregelkreis näher am Stabilitätsrand betrieben werden kann. Damit ist es möglich, ein Maximum an Nachführgeschwindigkeit des Stellgliedes 40 an die Sollposition zu erzielen.

Claims

1. Positionierregelkreis zur proportionalen Positionierung eines Stellgliedes eines kontinuierlichen Stellantriebes mit einem Asynchronmotor als Antriebsmotor, bei dem die lastabhängige Rotorwinkelgeschwindigkeit so rückgeführt ist, daß die Rotorfrequenz gleich, der Differenz aus Statorfrequenz und Rotorwinkelgeschwindigkeit ist und einem Getriebe, mit Mitteln zur Aufnahme der Position des Stellgliedes und einem Positionierverstärker, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Positionierverstärker (10) Mittel zur Umsetzung einer der Positionierabweichung (x_S-x_i) entsprechenden Eingangsspannung in eine proportionale Ausgangsfrequenz (f_s) aufweist und
- daß die Statorfrequenz des Asynchronmotors gleich der Ausgangsfrequenz (f_s) des Positionierverstärkers (10) ist.

2. Positionierregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Ausgangsfrequenz des Positionierverstärkers konstant ist.

3. Positionierregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Ausgangsfrequenz des Positionierverstärkers (10) partiell variierbar ist.

4. Positionierregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierverstärker (10) Mittel zur Begrenzung der maximalen Statorfrequenz aufweist.