EP0718556A1 - Verfahren zur Positionserfassung eines linear getriebenen Antriebssystems - Google Patents

Abstract

Eine Winkelpositions-Änderung des linear getriebenen Antriebssystems ist proportional seiner jeweiligen Laufzeit. Im Verfahren wird ein zu einer gewünschten Sollwert-Winkelposition (αS) gehöriger Sollwert der Laufzeit des Antriebssystems ermittelt, das Antriebssystem anschliesend gestartet sowie seine Laufzeit sensorlos gemessen und, wenn ein gemessener Wert der Laufzeit gleich dem ermittelten Sollwert der Laufzeit ist, das Antriebssystem gestoppt. Durch das Verfahren werden die Zuverlässigkeit des Antriebssystems erhöht und die Kosten des letzteren reduziert. <IMAGE>

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Postionserfassung eines linear getriebenen Antriebssystems gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Das erfindungsgemässe Verfahren wird vorzugsweise bei Klappen-Antrieben von Brennern in Heizungsanlagen verwendet. Es ist auch in vorteilhafter Weise in Frequenzumrichtern verwendbar.
• Bekannt sind Verfahren der eingangs genannten Art, die zur Positionserfassung von Antriebssystemen analoge oder digitale Sensoren verwenden, welche den Bewegungsachsen der Antriebssysteme aufgekoppelt sind, was relativ teuer ist, spezielle Antriebe erfordert und aufgrund der zusätzlich vorhandenen Sensoren relativ störanfällig ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren so zu verbessern, dass die Zuverlässigkeit der Antriebssysteme erhöht und die Kosten der letzteren reduziert werden.
• Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1

ein Zeitdiagramm eines Messablaufs bei einem Klappen-Antrieb eines in einer Heizungsanlage vorhandenen Brenners,

Fig. 2

eine schematische Darstellung der Winkelpositionen von vier Grenzwertschaltern eines Antriebssystems,

Fig. 3

eine schematische Darstellung von Winkelpositionen beim erfindungsgemässen Verfahren und

Fig. 4

eine schematische Darstellung von Winkelpositionen bei einer Nacheichung.

• Ein Klappen-Antrieb und ein Frequenzumrichter besitzen aus sicherheitstechnischen Gründen und/oder aus Eichungs-Gründen in Brenneranwendungen mehrere Grenzwertschalter. Z. B. besitzt der Klappen-Antrieb in einer Brenneranwendung, der vorzugsweise ein Luftklappen-Antrieb ist, mindestens vier als mechanische Endschalter funktionierende Grenzwertschalter 1, 2, 3 und 4 (siehe Fig. 1), deren Positionen einstellbar sind. Im Fall des Frequenzumrichters sind die einstellbaren Grenzwertschalter z. B. Luftdruckschalter. Ein erster Grenzwertschalter 1 ist z. B. in einer Winkelposition α1, ein zweiter Grenzwertschalter 2 in einer Winkelposition α2, ein dritter Grenzwertschalter 3 in einer Winkelposition α3 und ein vierter Grenzwertschalter 4 in einer Winkelposition α4 angeordnet (siehe Fig. 1 und Fig. 2).
• Die Winkelposition α1 ist z. B. eine Zu-Position des Klappen-Antriebs, d. h. die Winkelposition, in der die Luftklappe geschlossen ist, was einer Öffnung der Luftklappe von 0% entspricht. Die Winkelposition α₂ ist z. B. eine Kleinlast-Position des Brenners und entspricht einer Öffnung der Luftklappe von x%. Die Winkelposition α₃ ist z. B. eine Zündlast-Position des Brenners und entspricht einer Öffnung der Luftklappe von y%. Die Winkelposition α₄ ist z. B. eine Auf-Position des Klappen-Antriebs, in der die Luftklappe vollständig geöffnet ist, was einer Öffnung der Luftklappe von 100% entspricht.
• Die Grenzwertschalter 1 bis 4 werden im erfindungsgemässen Verfahren, ausser aus sicherheitstechnischen Gründen, nur noch zum Zweck von Eichungen und/oder Nacheichungen verwendet. Während eines normalen Betriebs des Antriebssystems werden sie dagegen nicht benutzt. Es werden auch keine anderen Sensoren und auch keine zusätzlichen Grenzwertschalter, z. B. in Winkel-Zwischenpositionen, verwendet. Da zusätzliche Grenzwertschalter bzw. Sensoren in der Regel teuer und störanfällig sind, werden durch ihre Nichtverwendung Kosten gespart und die Betriebszuverlässigkeit erhöht.
• Eine Winkelposition α eines linear getriebenen Antriebssystems ist propotional einer Zeit t, die das Antriebssystem benötigt, um ausgehend von einem Bezugspunkt, z. B. α = 0, die Winkelposition α zu erreichen. Es gelten somit: $$\text{α = W.t und Δα = W.Δt}$$

  

  wobei W eine konstante Winkelgeschwindigkeit des Antriebssystems ist. Die Winkelpositions-Änderung Δα, also die Änderung eines zurückzulegenden Winkelweges, ist proportional einer jeweiligen für die Winkelpositions-Änderung Δα benötigten Laufzeit Δt. Aus der Laufzeit Δt des Antriebssystems kann somit aufeine bestimmte Weg- bzw. Winkelpositions-Änderung Δα des Antriebssystems rückgeschlossen werden, wenn der konstante Wert der Winkelgeschwindigkeit W bekannt ist. Dieser Wert wird entweder als Parameter vorgegeben oder er kann vom Antriebssystem, z. B. anlässlich der Inbetriebsetzung, mit Hilfe zweier Grenzwertschalter, z. B. der beiden Grenzwertschalter 1 und 4 ermittelt werden. Im letzteren Fall wird vor einer ersten Inbetriebnahme des Antriebssystems der Wert der Winkelgeschwindigkeit W des Antriebssystems mit Hilfe der beiden Grenzwertschalter 1 und 4 ermittelt und anschliessend gespeichert zwecks späterer Verwendung bei einer jeweiligen Ermittlung eines zu einer gewünschten Sollwert-Winkelposition α_S gehörigen Sollwertes Δt_S der Laufzeit Δt des Antriebssystems. Dabei gilt: $$\text{W = (α4 - α1)/(t4 - t1),}$$

  

  wobei t4 und t1 jeweils die Zeiten sind, die das Antriebssystem benötigt, um ausgehend von einer Winkelbezugs-Position, z. B α = 0, die Winkelposition α4 bzw. α1 zu erreichen. Die Zeitdifferenz t₄ - t₁ ist somit eine gemessene Laufzeit Δt des Antriebssystems um, ausgehend von der Winkelposition α1, die Winkelposition α4 zu erreichen.
• Desgleichen können zwei weitere Messungen mit je einer zugehörigen Berechnung die Werte von x% und y% ergeben, da: $$\begin{array}{c}\begin{array}{c}\text{x = W.(t2 - t1) und}\\ \text{y = W.(t3 - t1),}\end{array}\end{array}$$

  

  wobei t2 und t3 jeweils die Zeiten sind, die das Antriebssystem benötigt, um ausgehend von der Winkelbezugs-Position die Winkelposition α2 bzw. α3 zu erreichen. Die Zeitdifferenzen t2 - t1 und t3 - t1 sind somit gemessene Laufzeiten Δt des Antriebssystems um, jeweils ausgehend von der Winkelposition α1, die Winkelposition α2 bzw. α3 zu erreichen.
• In der Fig. 1 ist ein möglicher Verlauf der Winkelpositionen α des Antriebssystems in Funktion der Zeit t dargestellt. In der Darstellung der Fig. 1 ist links mittels gerader Kennlinienteile ein möglicher zeitlicher Verlauf des Antriebssystems anlässlich einer Inbetriebnahme wiedergegeben, während rechts ein möglicher zeitlicher Verlauf anlässlich eines normalen Betriebs des Antriebssystems dargestellt ist. Im letzteren Fall schwankt die Winkelposition α des Antriebssystems nach der Inbetriebnahme z. B. zwischen den Winkelpositionen α4 und α2. In der Fig. 1 gilt die Annahme, dass α2 kleiner als α3 ist, was jedoch nicht immer der Fall ist. Zu Beginn der Inbetriebnahme besitzt das Antriebssystem z. B. die Winkelposition α1 bis zum Zeitpunkt ${\text{t}}_{\text{A}}\text{= t1}$

  

  (siehe Punkt A des Zeitdiagramms), um anschliessend mit der konstanten Geschwindigkeit W zur Winkelposition α4 hochzufahren, die es im Zeitpunkt ${\text{t}}_{\text{B}}\text{= t4}$

  

  erreicht (siehe Punkt B des Zeitdiagramms). Das Hochfahren ist in der Fig. 1 durch eine Gerade AB dargestellt, deren Neigung W ist. Nach Erreichen der Winkelposition α4 verbleibt z. B. das Antriebssystem in dieser Position bis zum Zeitpunkt t_C (siehe Punkt C des Zeitdiagramms), um anschliessend mit konstanter Geschwindigkeit W zur Winkelposition α3 herunterzulaufen, die es im Zeitpunkt t_D erreicht (siehe Punkt D des Zeitdiagramms) und aus der es für den nachfolgenden normalen Betrieb startet. Das Herunterlaufen ist durch eine Gerade CD dargestellt, deren Neigung -W ist.
• Die Winkelpositions-Änderungen Δα des Antriebssystems sind, wie bereits erwähnt, proportional seiner Laufzeit Δt. Im erfindungsgemässen Verfahren zur Positionserfassung des linear getriebenen Antriebssystems wird ein zu einer gewünschten Sollwert-Winkelposition α_S gehöriger Sollwert Δt_S der Laufzeit Δt des Antriebssystems ermittelt und das Antriebssystem anschliesend gestartet sowie seine Laufzeit Δt sensorlos gemessen. Wenn ein gemessener Wert der Laufzeit Δt gleich dem ermittelten Sollwert Δt_S der Laufzeit Δt ist, wird das Antriebssystem gestoppt, dessen Winkelposition α dann gleich der Sollwert-Winkelposition α_S ist, da der Sollwert Δt_S die Laufzeit Δt des Antriebssystems ist, die das letztere benötigt, um, von einer Winkelbezugs-Postion ausgehend, die gewünschte Soll-Winkelposition α_S zu erreichen.
• Die Winkelbezugs-Position ist z. B. die Zu-Position α₁ des Klappen-Antriebs. Sie kann aber auch irgend eine andere beliebige Winkelposition α_B des Klappen-Antriebs sein, in der dieser sich augenblicklich befindet und aus der er startet, um die gewünschte Sollwert-Winkelpositions α_S zu erreichen (siehe Fig. 3). Die Winkelbezugs-Position α_B ist in diesem Fall die Position des Klappen-Antriebs vor dem letzten Fahrbefehl. Eine Integration der Gleichung (1) ergibt: $${\text{α = W.Δt + α}}_{\text{B}}{\text{mit α = α}}_{\text{S}}{\text{und Δt = Δt}}_{\text{S}}{\text{, so dass: Δt}}_{\text{S}}{\text{= (α}}_{\text{S}}{\text{- α}}_{\text{B}}\text{)/W}$$

  

  Die benötigte Laufzeit Δt_S, um, ausgehend aus der augenblicklichen Winkelposition α_B, die gewünschte Sollwert-Winkelposition α_S zu erreichen, kann somit von z. B. einem im Antriebssystem vorhandenen Mikrocomputer mittels einer in ihm abgespeicherten Tabelle oder mittels der Gleichung (2) berechnet werden, worauf der Mikrocomputer nach einem nachfolgend erfolgten Bewegungsstart des Antriebssystems nur mehr die Laufzeit Δt messen muss, um nach dem Erreichen des Laufzeit-Sollwertes Δt_S das Antriebssystem zu stoppen. Das letztere befindet sich dann in der gewünschten Sollwert-Winkelposition α_S, ohne dass dort ein Sensor zur Detektion eines Erreichens der betreffenden Position α_S erforderlich ist. Die betreffenden Werte von α_S und Δt_S werden im Mikrocomputer gespeichert und können beim nächsten Ablaufbefehl als neue Startwerte der Ablaufbewegung dienen.
• Bei parallel geführten Antriebssystemen, d. h. wenn mehrere Heizkessel gleichzeitig und die zugehörigen Brenner synchron betrieben werden, kann es durch Toleranzen der einzelnen Antriebssysteme zu einem ungewollten Driften des Gesamtsystems kommen. Daher erfolgt in einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens durch ein zyklisches Anfahren des Antriebssystems an einen der vier Grenzwertschalter, z. B. an den Grenzwertschalter 3, eine gezielte Nacheichung, indem jeweils einerseits eine Sollwert/Istwert-Differenz ${\text{D = Δt}}_{\text{S,E}}{\text{- Δt}}_{\text{E}}$

  

  eines ermittelten Sollwertes Δt_S,E und eines gemessenen Istwertes Δt_E einer Laufzeit Δt ermittelt wird, die erforderlich ist, um, ausgehend aus einer augenblicklichen Winkelposition α_A des Antriebssystems, den Grenzwertschalter 3 zu erreichen (siehe Fig. 4). Anderseits wird ausserdem eine bisher geltende Winkelgeschwindigkeit W des Antriebssystems mit einem Korrekturfaktor k multipliziert, der eine Funktion f[D] der Sollwert/Istwert-Differenz D ist, um eine nach der Nacheichung geltende Winkelgeschwindigkeit W_E zu erhalten, die dann nachfolgend im Verfahren, bis zur nächsten Nacheichung, jeweils zur Ermittlung des Sollwertes Δt_S der Laufzeit Δt verwendet wird.
• Der Mikrocomputer misst z. B. den Istwert Δt_E der Laufzeit Δt, die das Antriebssystem benötigt, um die Winkeldposition α3 des Grenzwertschalters 3 aus seiner augenblicklichen Winkelposition α_A heraus zu erreichen. Der Mikrocomputer vergleicht diesen gemessenen Istwert Δt_E mit dem von ihm ermittelten, d. h. errechneten Sollwert Δt_S,E der Laufzeit Δt, die notwendig ist, um die gleiche Strecke zurückzulegen, indem er die Sollwert/Istwert-Differenz ${\text{D = Δt}}_{\text{S,E}}{\text{- Δt}}_{\text{E}}$

  

  ermittelt, d. h. berechnet. Theoretisch muss die Differenz D Null sein, da beide Werte gleich sein sollten. Falls nicht, ist nicht nur die Differenz D unterschiedlich von Null, sondern auch der Korrekturfaktor k unterschiedlich von Eins.
• Dabei gelten die Gleichungen: $${\text{W}}_{\text{E}}\text{= k.W k = f[D],}$$

  

  wobei W_E und W die Winkelgeschwindigkeiten nach und vor der Nacheichung sind, während k der von D abhängige Korrektufaktor ist. Durch das zyklische Anfahren wird der Rechenwert für die Winkelgeschwindigkeit W mittels der Gleichung (3) periodisch korrigiert und der Fehler des ermittelten Positionswertes im Laufe der Zeit immer kleiner. Es wird so ein adaptives Verhalten des Antriebssystems erreicht und der verwendete Wert der Winkelgeschwindigkeit W über die Betriebsdauer hin optimiert.
• Die Wahl des zur Nacheichung zyklisch anzufahrenden Grenzwertschalters erfolgt vorzugsweise prozessabhängig. In einer bevorzugten Ausführung wird als zyklisch anzufahrender Grenzwertschalter derjenige ausgewählt, der vom Antriebssystem aus der augenblicklichen Position α_A heraus am schnellsten angefahren, d. h. am schnellsten erreicht werden kann.
• Wenn der Antrieb des Antriebssystems ein Schrittmotor ist, sind die Winkelpositionen α des Antriebssystems im erfindungsgemässen Verfahren vorzugsweise in Schrittanzahlen n ausgedrückt. Eine für die Winkelpositions-Änderung Δα erforderliche Schrittanzahl Δn ergibt sich aus der Gleichung: $$\text{Δn = Δα/SW,}$$

  

  wobei SW eine konstante Schrittweite des Schrittmotors darstellt. Gemäss Gleichung (1) ist Δt somit ebenfalls proportional Δn.
• Wenn das Antriebssystem ein Teil eines Frequenzumrichters ist, entsprechen die Winkelpositionen α vorzugsweise Drehzahlen N. Eine für die Winkelpositions-Änderung Δα erforderliche Drehzahl-Änderung ΔN ergibt sich aus der Gleichung: $$\text{ΔN = Δα/2π}$$

  

  Gemäss Gleichung (1) ist Δt ebenfalls proportional ΔN.

Claims (7)

1. Verfahren zur Positionserfassung eines linear getriebenen Antriebssystems, dessen Winkelpositions-Änderung (Δα) proportional seiner jeweiligen Laufzeit (Δt) ist, dadurch gekennzeichnet,

   - dass ein zu einer gewünschten Sollwert-Winkelposition (α_S) gehöriger Sollwert (Δt_S) der Laufzeit (Δt) des Antriebssystems ermittelt wird,

   - dass das Antriebssystem anschliesend gestartet sowie seine Laufzeit (Δt) sensorlos gemessen wird und

   - dass, wenn ein gemessener Wert der Laufzeit (Δt) gleich dem ermittelten Sollwert (Δt_S) der Laufzeit (Δt) ist, das Antriebssystem gestoppt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer ersten Inbetriebnahme des Antriebssystems ein Wert einer Winkelgeschwindigkeit (W) des Antriebssystems mit Hilfe zweier Grenzwertschalter (1, 4) ermittelt und gespeichert wird zwecks späterer Verwendung bei der jeweiligen Ermittlung des zur gewünschten Sollwert-Winkelposition (α_S) gehörigen Sollwertes (Δt_S) der Laufzeit (Δt) des Antriebssystems.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein zyklisches Anfahren des Antriebssystems an einen von mehreren Grenzwertschaltern (3) eine Nacheichung erfolgt, indem jeweils einerseits eine Sollwert/Istwert-Differenz (D) eines ermittelten Sollwertes (Δt_S,E) und eines gemessenen Istwertes (Δt_E) einer Laufzeit (Δt) ermittelt wird, die erforderlich ist, um, ausgehend aus einer augenblicklichen Winkelposition (α_A) des Antriebssystems, den Grenzwertschalter (3) zu erreichen, und anderseits eine bisher geltende Winkelgeschwindigkeit (W) des Antriebssystems mit einem Korrekturfaktor (k) multipliziert wird, der eine Funktion (f[D]) der Sollwert/Istwert-Differenz (D) ist, um eine nach der Nacheichung geltende Winkelgeschwindigkeit (W_E) zu erhalten, die dann nachfolgend im Verfahren, bis zur nächsten Nacheichung, jeweils zur Ermittlung des Sollwertes (Δt_S) der Laufzeit (Δt) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl des zyklisch anzufahrenden Grenzwertschalters prozessabhängig erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als zyklisch anzufahrender Grenzwertschalter derjenige ausgewählt wird, der vom Antriebssystem am schnellsten angefahren werden kann.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb des Antriebssystems ein Schrittmotor ist und die Winkelpositionen (α) des Antriebssystems in Schrittanzahlen (n) ausgedrückt sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem ein Teil eines Frequenzumrichters ist und die Winkelpositionen (α) Drehzahlen (N) entsprechen.

Images