EP0906239A1 - Verfahren zum steuern einer changiereinrichtung - Google Patents

Verfahren zum steuern einer changiereinrichtung

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EP0906239A1
EP0906239A1 EP98916956A EP98916956A EP0906239A1 EP 0906239 A1 EP0906239 A1 EP 0906239A1 EP 98916956 A EP98916956 A EP 98916956A EP 98916956 A EP98916956 A EP 98916956A EP 0906239 A1 EP0906239 A1 EP 0906239A1
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EP
European Patent Office
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stator
rotor
flow
actual
torque
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    • B65H2701/00—Handled material; Storage means
    • B65H2701/30—Handled filamentary material
    • B65H2701/31—Textiles threads or artificial strands of filaments

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a traversing device driven by a stepping motor and a traversing device according to the preamble of claim 11.
  • a traversing thread guide of a traversing device for laying a thread is driven by a stepping motor.
  • the movement of the rotor of the stepping motor is transmitted directly to the thread guide. The transmission takes place via a belt drive.
  • the stepper motor is operated with a higher nominal current in the stroke reversal areas. As a result, the stepper motor is able to generate a higher torque.
  • Such an increase in current in conjunction with a step frequency required to generate the high acceleration and deceleration, leads to overshoot of the rotor in the stepper motor, which is transferred directly to the traversing thread guide. This also causes the rotor to lose its sequence of steps.
  • a current increase requires one correspondingly powerful stepper motor.
  • the torque increase in a larger motor generally results in a higher moment of inertia, which is disadvantageous for achieving the high acceleration and braking times.
  • Another object of the invention is to drive the traversing thread guide in the stroke reversing area with as little vibration as possible.
  • the particular advantage of the method according to the invention is that the field variables generated in the stepper motor are used directly to control the traversing device. Since the method is based on the stator flow of the stepper motor, a highly dynamic control of the drive is achieved.
  • the principle of the stepper motor is based on the fact that a rotor designed as a permanent magnet rotates within a stator with several windings. In order to move the rotor, the windings, which are arranged offset to one another, are supplied with current after a time sequence. Magnetic fields are generated which, in conjunction with the magnetic field of the rotor, enable the rotor to move.
  • the stator is formed from a large number of windings which, as pole pairs, determine the step size of the stepper motor.
  • the torque of the Stepper motor is determined by the magnetic flux in the stator (stator flux) and the magnetic flux in the rotor (rotor flux).
  • the rotor Since the rotor is designed as a permanent magnet, the rotor flux will not change, so that the torque of the stepper motor is essentially influenced by the stator flux amplitude and the angle to the rotor flux.
  • the method according to the invention now uses this dependency to control the movement of the rotor and thus the traversing thread guide.
  • a stator voltage generated by a flow control device is specified.
  • the movement of the rotor is controlled by changing magnetic excitations with a predetermined magnetic stator flux in the windings of the stator.
  • the load current will set itself depending on the operating point of the stepper motor.
  • a particularly advantageous development of the invention provides that the torque generated by the stepper motor is regulated.
  • a torque controller carries out an actual-target comparison between an actual torque and a predetermined target torque.
  • a corresponding torque correction value is generated which is converted into the stator voltage in order to control the stepper motor.
  • a torque and acceleration sufficient to guide the traversing thread guide in each position of the traversing thread guide can thus be generated in the traversing device.
  • the phase position i.e. regulate the angular velocity of the rotor.
  • the torque acting on the rotor is essentially dependent on the position of the rotor, the rotor flux and the stator flux. Since the rotor has a constant rotor flux, according to a particularly advantageous development of the invention, the actual torque can be calculated solely from the electrical parameters stator current and stator flux. There are two ways to determine the current stator flux of the stepper motor.
  • the first possibility is that the rotor position is determined without an encoder.
  • the stator voltage and the stator current are measured continuously and linked in a computing circuit in such a way that a stator flux which is dependent on the rotor position results.
  • the actual torque can now be determined using the stator flux and the stator current, so that the determined actual torque can be compared with a target torque.
  • the setpoint torque results from the law of motion of the traversing thread guide and is known as a function of the respective winding laws.
  • the torque can be determined beforehand from the position and the speed of the traversing thread guide for each position of the rotor and is given to the torque controller.
  • Angular position of the rotor detected by a sensor and included in the control of the stepper motor. If you bring these position signals into phase equilibrium with the rotor, you have a standardized rotor flux signal. These standardized rotor flux signals can advantageously be converted into corresponding stator flux signals. So that is the stator flow known.
  • the actual stator flow is continuously determined and a flow controller is used for the actual-target comparison.
  • a flow controller is used for the actual-target comparison.
  • the stepper motor can be given a target stator flow profile that exactly reflects the movement of the traversing thread guide.
  • phase position of the stator flux essentially influences the increase in torque, but the amplitude of the stator flux determines the absolute value of the torque, optimal utilization of the stepper motor is achieved if, in addition to torque regulation, flux regulation also takes place.
  • stator voltages generated by the controllers can be advantageously applied directly to a pulse width modulator for controlling a converter. This means that all common types of windings, such as wild winding, precision winding, etc., as well as traversing stroke changes can be carried out with the traversing device.
  • Fig. 2 shows schematically a stepper motor with two stator windings
  • FIG. 3 shows the schematic structure of a flow control device
  • Fig. 4 is an equivalent circuit diagram of a stepper motor; 5 shows the stator flux and rotor flux in the coordinate system fixed to the stator;
  • Fig. 6 is a block diagram of the flow control device.
  • a traversing device is shown schematically in FIG. 1.
  • the traversing thread guide 8 is moved back and forth within a traversing stroke by means of a stepping motor 4.
  • the transmission of the movement from the stepper motor 4 to the thread guide 8 takes place via a belt 7.
  • the belt 7 loops around the pulleys 6, 9 and 11.
  • the traversing thread guide 8 is firmly connected to the endless belt 7 and is attached to the belt 7 between the pulleys 11 and 9 back and forth.
  • the pulley 11 is rotatably supported on an axis 12, the pulley 9 is rotatably supported on the axis 10.
  • the pulley 6 is attached to a rotor shaft 5, which is driven by means of a rotor of the stepping motor 4 with an alternating direction of rotation.
  • the stepper motor 4 is controlled via a control unit 22.
  • the control unit 22 has a converter 2 and a flow control device 1.
  • the flow control device 1 is connected to the converter 2 by a control line 23 and a signal line 24.
  • the flow control device 1 is connected to a sensor 3 which senses the position of the rotor or the rotor shaft 5.
  • River control device also has an input for the transmission of target specifications for the traversing.
  • a winding spindle 15 is arranged below the belt drive, on the a sleeve 14 is attached.
  • a coil 13 is wound on the sleeve 14.
  • a thread is moved back and forth from the traversing thread guide 8 along the bobbin surface.
  • each position of the traversing thread guide 8 is assigned to a specific angular position of the rotor in the stepper motor.
  • the required field sizes for influencing the rotor can be specified for each traversing thread guide position via the flow control device 1.
  • stepper motor The operation of the stepper motor can be described as follows using the schematic illustration shown in FIG. 2.
  • the stepper motor 4 has at least two windings 16 and 17 arranged offset by 90 ° to one another.
  • the windings 16 and 17 are alternately controlled by a converter 2 according to a predetermined time sequence.
  • a magnetic field with a magnetic flux ⁇ s builds up in each of the windings.
  • a load current (stator current) i s flows in windings.
  • a rotor (not shown here) mounted in the middle of the windings will move with its permanent magnetic field.
  • a sensor 3 is attached to the stepper motor to detect the position of the rotor.
  • the sensor 3 is designed so that the number of steps of the sensor can be divided in whole numbers by the number of pole pairs of the step motor.
  • His signal can thus be used for position control of the rotor as well as for stator flux determination.
  • Particularly simple relationships result when a gearwheel is used whose number of teeth is identical to the number of pole pairs of the motor.
  • a sine signal and a cosine signal are obtained by means of two field plates, which have an offset of 90 ° in relation to the tooth pitch. If you bring these signals into phase equilibrium with the rotor, you get my normalized rotor flux signal.
  • the current stator current i s and the sensor signal ⁇ are then - as shown in FIG. 3 - given to a converter 18 of the flow control.
  • the flow control device is shown schematically in FIG. 3. Vector sizes are indicated by an arrow.
  • the converter 18 determines an actual value of the stator flux s from the stator current and the sensor signal ⁇ .
  • the actual value of the stator flux is then fed to a flux regulator 20 and at the same time to a torque regulator 19.
  • a comparison is made directly at the controller input between a predetermined setpoint value of the stator flow with the instantaneous actual value of the stator flow.
  • the flux regulator 20 will generate a voltage signal which is applied to a pulse width modulator 21 which is connected to the converter 2.
  • a comparison is made in the torque controller 19 between a predetermined target value of the torque and the actual value of the torque of the stepping motor.
  • the actual torque is determined from the given values of the stator current i s and the stator flux s . If there is a deviation, the torque controller 19 likewise generates a voltage signal which is fed to the pulse width modulator 21.
  • the stator voltage u s is composed of a torque-forming component u M and a flux-forming component u ⁇ , the connection of which will be discussed in more detail later.
  • the equivalent circuit diagram shown in FIG. 4 and the pointer diagram shown in FIG. 5 are also used to describe the stepping motor.
  • the machine sizes are understood as space pointers in a frame-fixed coordinate system, the ⁇ -axis of the coordinate system coinciding with the winding axis of the machine and the 3-axis being orthogonal to the ⁇ -axis.
  • the torque of a two-phase stepper motor can then be calculated using the following equation:
  • the rotor flux cannot be influenced in its amplitude because of the permanent excitation. Its position only depends on the position of the rotor.
  • the tip of the stator flow space pointer should be guided on a circular path. This can be achieved by connecting a voltage space vector u M to the winding, the direction of which is orthogonal to the stator flow direction. Since the stator flux s is essentially an integral of the stator voltage, such a voltage space pointer causes the stator flow space pointer s to rotate. However, this voltage space pointer alone can only influence the angular velocity ⁇ , but not the amplitude of the stator flux. A further voltage space pointer u ⁇ is therefore required in the direction of the stator flux.
  • Stator flow space pointer ⁇ s shows.
  • the stator voltage u s is thus the sum of the two components u M and u.
  • stator flux in the stepper motor can thus be determined or controlled in its amplitude and in its phase position by the stator voltage u s .
  • the output signal of the stator voltage can be used directly as an input signal of a pulse width modulator after appropriate standardization. It should be noted that the voltage space pointer can only be influenced in the periods in which the converter is still clocking.
  • stator fluxes result, based on the stator coordinate system:
  • stator flow can now be given to a flow controller or a torque controller.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a combined control of a stator flux and the torque.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer mittels eines Schrittmotors (4) angetriebenen Changiereinrichtung sowie eine Changiereinrichtung. Hierbei ist die Position eines innerhalb eines Changierhubes hin- und herbewegten Changierfadenführers (8) durch die Stellung eines Rotors (5) des Schrittmotors (4) bestimmt, wobei der Rotor (5) sich innerhalb eines Ständers des Schrittmotors mit mehreren Wicklungen bewegt. Die Bewegung des Rotors (5) wird erfindungsgemäß durch einen Ständerfluß gesteuert, welcher durch eine mittels einer Flußsteuereinrichtung erzeugten Ständerspannung (Us) bestimmt wird.

Description

Verfahren zum Steuern einer Changiereinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer mittels eines Schrittmotors angetriebenen Changiereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Changiereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Vorrichtung ist aus der EP 0 453 622 bekannt. Hierbei wird ein Changierfadenführer einer Changiereinrichtung zum Verlegen eines Fadens durch einen Schrittmotor angetrieben. Um den Fadenführer innerhalb eines Changierhubes hin und her zu fuhren, wird direkt die Bewegung des Rotors des Schrittmotors an den Fadenführer übertragen. Die Übertragung erfolgt hierbei über einen Riementrieb.
Bei der Changierung eines Fadens kommt es sehr darauf an, daß die Umkehrpunkte des Changierfadenführers an den Enden des Changierhubes immer an gleicher Stelle liegen. Desweiteren ist erforderlich, daß der Changierfadenführer an den Enden des Changierhubes in sehr kurzer Zeit aus einer Führungsgeschwindigkeit verzögert und wieder auf eine Führungsgeschwindigkeit beschleunigt wird .
Um diesen Anforderungen zu genügen, wird der Schrittmotor in den Hubumkehrbereichen mit einem höheren Nenn-Strom betrieben. Dadurch ist der Schrittmotor in der Lage, ein höheres Drehmoment zu erzeugen. Eine derartige Stromerhöhung führt in Verbindung mit einer zur Erzeugung der hohen Beschleunigung und Verzögerung erforderlichen Schrittfrequenz zu einem Überschwingen des Rotors im Schrittmotor, was sich direkt auf die Changierfadenführer überträgt. Hierdurch gerät zudem der Rotor aus seiner Schrittfolge. Eine Stromerhöhung erfordert einen entsprechend leistungsstarken Schrittmotor. Die Drehmomenterhöhung bei einem größeren Motor hat in der Regel jeoch ein höheres Trägheitsmoment zur Folge, was zur Erreichung der hohen Beschleunigungs- und Bremszeiten nachteilig ist.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer mittels eines Schrittmotors angetriebenen Changiereinrichtung sowie eine Vorrichtung zu schaffen, bei der der Changierfadenführer im Umkehrbereich bei optimaler Auslastung des Schrittmotors geführt wird. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Changierfadenführer im Hubumkehrbereich möglichst schwingungsfrei anzutreiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Changiereinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß direkt die im Schrittmotor erzeugten Feldgrößen zur Steuerung der Changiereinrichtung verwendet werden. Da das Verfahren an dem Ständerfluß des Schrittmotors orientiert ist, wird eine hochdynamische Regelung des Antriebes erreicht.
Das Prinzip des Schrittmotors basiert darauf, daß ein als Permanentmagnet ausgeführter Rotor sich innerhalb eines Ständers mit mehreren Wicklungen dreht. Um den Rotor zu bewegen, werden die versetzt zueinander angeordneten Wicklungen nach einer Zeitfolge mit Strom beaufschlagt. Dabei werden magnetische Felder erzeugt, die in Verbindung mit dem magnetischen Feld des Rotors die Bewegung des Rotors ermöglichen. Der Ständer wird aus einer Vielzahl von Wicklungen gebildet, die als Polpaare die Schrittweite des Schrittmotors bestimmen. Das Drehmoment des Schrittmotors wird dabei durch den magnetischen Fluß im Ständer (Ständerfluß) und dem magnetischen Fluß im Rotor (Rotorfluß) bestimmt. Da der Rotor als Permanentmagnet ausgeführt ist, wird sich der Rotorfluß nicht verändern, so daß das Drehmoment des Schrittmotors im wesentlichen durch die Ständerflußamplitude und den Winkel zum Rotorfluß beeinflußt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt nun diese Abhängigkeit, um die Bewegung des Rotors und damit des Changierfadenführers zu steuern. Zur Steuerung des Ständerflusses wird eine durch eine Fluß Steuereinrichtung erzeugte Ständerspannung vorgegeben. Somit wird die Bewegung des Rotors durch wechselnde magnetische Erregungen mit jeweils vorgegebenem magnetischen Ständerfluß in den Wicklungen des Ständers gesteuert.
Dem Schrittmotor werden somit keine Ströme vorgegeben. Der Laststrom wird sich in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Schrittmotors selbsttätig einstellen.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das vom Schrittmotor erzeugte Drehmoment geregelt wird. Ein Drehmomentemegler führt hierzu einen Ist-Soll-Vergleich zwischen einem Ist-Drehmoment und einem vorgegebenen Soll-Drehmoment durch. Bei Abweichung wird ein entsprechender Drehmomentkorrekturwert erzeugt, der zur Steuerung des Schrittmotors in die Ständerspannung umgewandelt wird. Damit läßt sich in der Changiereinrichtung jeweils ein zur Führung des Changierfadenführers in jeder Stellung des Changierfadenführers ausreichendes Drehmoment sowie Beschleunigung erzeugen. Durch die aus der Drehmomentregelung erzeugten Ständerspannung läßt sich die Phasenlage, d.h. die Winkelgeschwindigkeit, des Rotors regeln.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Dreh- momentenregelung liegt darin, daß in jeder Stellung des Rotors ein bestimmtes Drehmoment zugeordnet werden kann. Somit wird eine optimale Auslastung des Schrittmotors erreicht.
Das auf den Rotor wirkende Drehmoment ist im wesentlichen abhängig von der Lage des Rotors, dem Rotorfluß und dem Ständerfluß. Da der Rotor einen konstanten Rotorfluß aufweist, läßt sich gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Ist-Drehmoment allein aus den elektrischen Parametern Ständerstrom und Ständerfluß berechnen. Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten, den momentanen Ist- Ständerfluß des Schrittmotors zu ermitteln.
Die erste Möglichkeit besteht darin, daß die Rotorposition geberlos ermittelt wird. Hierbei werden die Ständerspannung und der Ständerstrom laufend gemessen und in einer Rechenschaltung derart verknüpft, daß sich ein von der Rotorlage abhängiger Ständerfluß ergibt. Mit dem Ständerfluß und dem Ständerstrom kann nun das Ist-Drehmoment bestimmt werden, so daß das ermittelte Ist-Drehmoment mit einem Solldrehmoment verglichen werden kann. Das Solldrehmoment ergibt sich aus dem Bewegungsgesetz des Changierfadenführers und ist in Abhängigkeit von den jeweiligen Wickelgesetzen bekannt. Hierbei läßt sich das Drehmoment aus der Lage und der Geschwindigkeit des Changierfadenführers für jede Stellung des Rotors vorher bestimmen und wird dem Drehmomentregler vorgegeben.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens wird die
Winkellage des Rotors mittels eines Sensors erfaßt und in die Regelung des Schrittmotors mit einbezogen. Bringt man diese Lagesignale in Phasengleichgewicht mit dem Rotor, so verfügt man über ein normiertes Rotorflußsignal. Diese normierten Rotorflußsignale lassen sich vorteilhaft in entsprechende Ständerflußsignale überführen. Damit ist der Ständerfluß bekannt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird laufend der Ist- Ständerfluß ermittelt und einem Flußregler zum Ist-Soll- Vergleich aufgegeben. Durch eine derartige Regelung lassen sich vorteilhaft
Störeinflüsse unmittelbar ausregeln. Dem Schrittmotor kann ein Sollständerfluß-Profil vorgegeben werden, das exakt die Bewegung des Changierfadenführers wiedergibt.
Da die Phasenlage des Ständerflusses im wesentlichen den Anstieg des Drehmomentes beeinflußt, jedoch die Amplitude des Ständerflusses den Absolutwert des Drehmomentes bestimmt, wird eine optimale Auslastung des Schrittmotors erreicht, wenn neben der Drehmomentregelung auch eine Flußregelung erfolgt.
Die von den Reglern erzeugten Ständerspannungen lassen sich dabei direkt vorteilhaft auf einen Pulsweitenmodulator zur Ansteuerung eines Umrichters aufgeben. Damit können alle üblichen Wicklungsarten wie wilde Wicklung, Präzisionswicklung usw. sowie Changierhub Veränderungen mit der Changiereinrichtung durchgeführt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es stellen dar: Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Changiereinrichtung;
Fig. 2 schematisch einen Schrittmotor mit zwei Ständerwicklungen;
Fig. 3 den schematischen Aufbau einer Flußsteuereinrichtung;
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild eines Schrittmotors; Fig. 5 den Ständerfluß und Rotorfluß im ständerfesten Koordinatensystem;
Fig. 6 ein Blockschaltbild der Fluß Steuereinrichtung.
In Fig. 1 ist schematisch eine Changiereinrichtung gezeigt. Hierbei wird der Changierfadenführer 8 mittels eines Schrittmotors 4 innerhalb eines Changierhubes hin- und herbewegt. Die Übertragung der Bewegung vom Schrittmotor 4 zum Fadenführer 8 erfolgt über einen Riemen 7. Der Riemen 7 umschlingt die Riemenscheiben 6, 9 und 11. Der Changierfadenführer 8 ist fest mit dem endlosen Riemen 7 verbunden und wird an dem Riemen 7 zwischen den Riemenscheiben 11 und 9 hin- und hergeführt. Die Riemenscheibe 11 ist drehbar an einer Achse 12 gelagert, die Riemenscheibe 9 ist drehbar an der Achse 10 gelagert. Die Riemenscheibe 6 ist an einer Rotorwelle 5 befestigt, die mittels eines Rotors des Schrittmotors 4 mit wechselndem Drehsinn angetrieben wird. Der Schrittmotor 4 wird über eine Steuereinheit 22 angesteuert. Hierzu weist die Steuereinheit 22 einen Umrichter 2 und eine Fluß Steuereinrichtung 1 auf. Die Flußsteuereinrichtung 1 ist mit einer Steuerleitung 23 und einer Signalleitung 24 mit dem Umrichter 2 verbunden. Die Flußsteuereinrichtung 1 ist mit einem Sensor 3 verbunden, der die Lage des Rotors bzw. der Rotorwelle 5 sensiert. Die
Fluß Steuereinrichtung besitzt zudem einen Eingang zur Übertragung von Soll vorgaben für die Changierung.
Parallel zu dem zwischen der Riemenscheibe 9 und 11 gespannten Riemen 7 ist eine Spulspindel 15 unterhalb des Riementriebs angeordnet, auf der eine Hülse 14 befestigt ist. Auf der Hülse 14 wird eine Spule 13 gewickelt. Hierzu wird ein Faden vom Changierfadenführer 8 entlang der Spulenoberfläche hin- und herverlegt. Hierbei ist jede Stellung des Changierfadenführers 8 einer bestimmten Winkellage des Rotors im Schrittmotor zugeordnet. Somit können über die Fluß Steuereinrichtung 1 dem Schrittmotor 4 zu jeder Changierfadenführerposition die erforderlichen Feldgrößen zur Beeinflussung des Rotors vorgegeben werden.
Die Funktionsweise des Schrittmotors läßt sich anhand der in Fig. 2 gezeigten schematischen Abbildung wie folgt beschreiben.
Der Schrittmotor 4 besitzt zumindest zwei um 90° versetzt zueinander angeordnete Wicklungen 16 und 17. Die Wicklungen 16 und 17 werden über einen Umrichter 2 nach einer vorgegebenen Zeitfolge wechselweise angesteuert. Dabei baut sich jeweils in den Wicklungen ein magnetisches Feld mit einem magnetischen Fluß Ψs auf. In Wicklungen fließt ein Laststrom (Ständerstrom) is. Nun wird sich ein in der Mitte der Wicklungen gelagerter Rotor (hier nicht gezeigt) mit seinem Permanentmagnetfeld bewegen. Zur Lageerfassung des Rotors ist ein Sensor 3 an dem Schrittmotor angebracht. Der Sensor 3 ist so ausgelegt, daß die Schrittzahl des Sensors durch die Polpaarzahl des Schrittmotors ganzzahlig teilbar ist. Damit kann sein Signal sowohl für eine Lageregelung des Rotors als auch für die Ständerflußbestimmung benutzt werden. Besonders einfache Verhältnisse ergeben sich dann, wenn ein Zahnrad verwendet wird, dessen Zähnezahl identisch mit der Polpaarzahl des Motors ist. Mittels zweier Feldplatten, die diesbezüglich der Zahnteilung einen Versatz von 90° aufweisen, erhält man ein Sinussignal und ein Cosinussignal. Bringt man diese Signale in Phasengleichgewicht mit dem Rotor, so erhält mein normiertes Rotorflußsignal. Der momentane Ständerstrom is und das Sensorsignal φ werden dann - wie in Fig. 3 gezeigt - einem Wandler 18 der Flußsteuerung aufgegeben. Die Flußsteuereinrichtung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Hierbei sind Vektorgrößen durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Der Wandler 18 ermittelt aus dem Ständerstrom und dem Sensorsignal φ einen Istwert des Ständerflusses s. Der Istwert des Ständerflusses wird sodann einem Flußregler 20 und gleichzeitig einem Drehmomentenregler 19 zugeführt. In dem Flußregler 20 erfolgt direkt am Reglereingang ein Vergleich zwischen einem vorgegebenen Sollwert des Ständerflusses mit momentanen Istwert des Ständerflusses. Im Fall einer Abweichung, wird der Fluß regier 20 ein Spannungssignal erzeugen, welches einem Pulsweitenmodulator 21 aufgegeben wird, der mit dem Umrichter 2 verbunden ist. Parallel zur Flußreglung erfolgt in dem Drehmomentenregler 19 ein Vergleich zwischen einem vorgegebenen Sollwert des Drehmomentes sowie dem Istwert des Drehmomentes des Schrittmotors. Das Ist-Drehmoment wird hierbei aus den aufgegebenen Größen des Ständertroms is und des Ständerflusses s ermittelt. Der Drehmomentenregler 19 erzeugt bei Abweichung ebenfalls ein Spannungssignal, das dem Pulsweitenmodulator 21 zugeführt wird. Die Ständerspannung us setzt sich hierbei aus einer Drehmoment bildenden Komponente uM und einer Fluß bildenden Komponente u^ zusammen, auf dessen Zusammenhang später noch genauer eingegangen wird.
Zur Beschreibung des Schrittmotors wird weiterhin das in Fig. 4 gezeigte Ersatzschaltbild und das in Fig. 5 gezeigte Zeigerdiagramm verwendet. Die Maschinengrößen werden als Raumzeiger in einem ständerfesten Koordinatensystem verstanden, wobei die α-Achse des Koordinatensystems mit der Wicklungsachse der Maschine zusammenfällt und die 3-Achse zur α-Achse orthogonal ist. Das Drehmoment eines zweiphasigen Schrittmotors läßt sich dann nach folgender Gleichung berechnen:
M=p*l/L* | Ψs | * | ΨR | *sinδ. Hierbei ist p die Polpaarzahl des Schrittmotors und δ der Winkel zwischen dem Ständer- und Rotorflußraumzeiger. Der Ständer fluß s kann direkt aus der Ständerspannung us aus folgender Gleichung ermittelt werden: s = f (uS-is*R)*dt
Demgegenüber kann der Rotorfluß wegen der Permanenterregung nicht in seiner Amplitude beeinflußt werden. Seine Lage ist nur von der Stellung des Rotors abhängig. Um die Maschine möglichst gut ausnutzen zu können, sollte die Spitze des Ständerflußraumzeigers auf einer Kreisbahn geführt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Spannungsraumzeiger uM auf die Wicklung geschaltet wird, dessen Richtung orthogonal zur Ständerflußrichtung liegt. Da der Ständerfluß s im wesentlichen ein Integral der Ständerspannung ist, versetzt ein solcher Spannungsraumzeiger den Ständerflußraumzeiger s in Rotation. Dieser Spannungsraumzeiger allein kann aber nur die Winkelgeschwindigkeit ω, nicht aber die Amplitude des Ständerflusses beeinflussen. Es wird deshalb ein weiterer Spannungsraumzeiger u^ benötigt der in Richtung des
Ständerflußraumzeigers Ψs zeigt. Die Ständerspannung us ergibt sich damit als Summe aus beiden Komponenten uM und u .
Bei idealem Leerlauf der Maschine M=0 müssen s und R deckungsgleich umlaufen. Soll nun das Drehmoment schnell wachsen, so muß der Spannungsraumzeiger uM stark vergrößert werden. Hierdurch vergrößert sich sofort die Winkelgeschwindigkeit ωs des Ständerfluß raumzeigers, während der Rotorflußraumzeiger aufgrund seiner festen Bindung an die Rotorlage zunächst noch mit seiner alten langsameren Winkelgeschwindigkeit umläuft. Mit der Differenzwin- kelgeschwindigkeit vergrößert sich jetzt der Winkel δ zwischen Ständerund Rotorflußraumzeiger und damit auch das Drehmoment. Ist der gewünschte Drehmoment-Sollwert erreicht, muß die Spannungsamplitude von uM wieder auf einen niedrigeren Wert verringert werden. Gleichzeitig muß Uψ verstellt werden, da sich die Komponente des Spannungsabfalls (is*R) am Ständerwiderstand R entgegen der Richtung von s aufgrund des Laststromsanstieges vergrößert hat. Damit kann der Ständerfluß im Schrittmotor in seiner Amplitude und in seiner Phasenlage durch die Ständerspannung us bestimmt bzw. gesteuert werden. Das Ausgangssignal der Ständerspannung kann nach entsprechender Normierung direkt als Eingangssignal eines Pulsbreitenmodulators genutzt werden. Dabei ist zu beachten, daß der Spannungsraumzeiger nur noch in den Zeitabschnitten beinflußt werden kann, in denen der Umrichter überhaupt noch taktet.
Ist die Ständerflußbestimmung mit einer Lageregelung gekoppelt, so läßt sich der Ständerfluß s aus folgender Gleichung berechnen: S = R+is*L
Mit Hilfe der - wie in Fig. 2 gezeigt - ermittelten Sinus- und Cosinus- Rotorsignale und einem konstanten Rotorfluß-Nennwert ergeben sich bezogen auf das Ständerkoordinatensystem folgende Ständerflüsse:
*s, =*o*∞s < >+is,«*L
Diese Istwerte des Ständerflusses können nun einem Flußregler oder einem Drehmomentregler aufgegeben werden.
In Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer kombinierten Regelung eines Ständerflusses und des Drehmoments gezeigt. Hierbei wird zunächst aus den Ist-Ständerflüssen und den Ständerströmen ein Ist-Drehmoment wie folgt berechnet:
Der bestimmte Istwert des Drehmomentes wird einem Drehmomentregler zugeführt, der einen Ist-Soll-Vergleich durchführt. Bei Feststellung einer Abweichung wird ein Drehmomenten-Korrekturwert kM erzeugt. Aus der Beziehung uM=jkM*Ψs wird der Korrekturwert in eine Ständerspannung umgewandelt und einem Pulsweitenmodulator zur Ansteuerung des Umrichters aufgegeben. Parallel zur Drehmomentregelung wird gleichzeitig eine Flußregelung durchgeführt. Hierbei wird der Ständerfluß nach der Normierung mit einem Sollständerfluß-Reglereingang verglichen. Bei Abweichung wird der Fluß regier einen Fluß-Korrekturwert erzeugen. Über die Beziehung Uψ =jkψ*Ψs ergibt sich ein Spannungswert, der ebenfalls dem Pulsweitenmodulator aufgegeben wird.
Mittels dieser Regelung gelingt es, bei dem Schrittmotor häufig auftretende Schwingungen bei schnellen Reversiervorgängen durch die direkte Kontrolle des Motormoments zu beseitigen, so daß der Changierfadenführer in den Endbereichen des Changierhubes sicher und schwingungsfrei geführt wird. Hierdurch kann der Motor weit besser ausgenutzt werden als dies in dem meist nur gesteuerten Betrieb möglich ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
Flußsteuerung
Umrichter
Sensor
Schrittmotor
Rotorwelle
Riemenscheibe
Riemen
Changierfadenführer
Riemenscheibe
Achse
Riemenscheibe
Achse
Spule
Hülse
Spulspindel
Wicklung
Wicklung
Wandler
Drehmomentregler
Fluß regier
Pulsweitenmodulator
Steuereinheit
Steuerleitung
Signalleitung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Steuern einer Changiereinrichtung, bei welchem ein Changierfadenführer der Changiereinrichtung durch einen steuerbaren Schrittmotor oszillierend innerhalb eines Changierhubes angetrieben wird und bei welchem der Changierfadenführer in seiner Position und seiner Geschwindigkeit durch einen Rotor des Schrittmotors bestimmt ist, wobei der Rotor sich innerhalb eines Ständers des Schrittmotor mit mehreren Wicklungen bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ständer Spannung mittels einer Fluß Steuereinrichtung laufend erzeugt und dem Schrittmotor aufgegeben wird, so daß die Bewegung des Rotors durch einen durch die Ständerspannung bestimmten Ständerfluß gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf den Rotor wirkendes Ist-Drehmoment (Mist) laufend ermittelt wird, daß das Ist-Drehmomnet (Mist) einem Drehmomentenregler aufgegeben wird, daß der Drehmomentenregler nach einem Ist-Soll-Vergleich zwischen dem Ist-Drehmoment (Mist) und einem vorgegebenen Soll-Drehmoment
(Msoll) einen Drehmomentkorrekturwert (kM) erzeugt und daß der Drehmomentenkorrekturwert (kM) in die Ständerspannug (uM) gewandelt wird. Ver fahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ist-Drehmoment (Mist) bei einem konstanten Rotorfluß ( R) aus einem laufend gemessenen Ständerstrom (is) und einem Ist-Ständerfluß
(Ψs) berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Ständerfluß ( s) aus einer Ständerspannung (us) und dem Ständerstrom (is) mittels einer Rechenschaltung ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Ständerfluß ( s) aus der Winkellage (φ) des Rotors und dem Ständerstrom (is) bestimmt wird, wobei die Winkellage (φ) des
Rotors durch einen Lagesensor gemessen wird und daß aus dem Sensorsignal, dem Rotorfluß (ΨR)_und dem Ständerstrom (is) der Ist- Ständerfluß ( s) berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Drehmoment (Msoll) aus der Lage und der Geschwindigkeit des Changierfadenführers innerhalb des Changierhubes bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Ständerfluß (Ψs) einem Flußregler aufgegeben wird, daß der Flußregler nach einem Ist-Soll- Vergleich zwischen dem Ist- Ständerfluß ( s) und einem Soll-Ständerfluß (Ψson) einen Flußkorrekturwert (k ) erzeugt und daß der Flußkorrekmrwert (kψ) in die Ständerspannug (uψ) zur Steuerung des Schrittmotors gewandelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Ständerfluß (Ψs) dem Fluß regier aufgegeben wird, daß der
Flußregler nach einem Ist-Soll- Vergleich zwischen dem Ist- Ständerfluß (Ψs) und einem Soll-Ständerfluß (^soll) einen Flußkorrekturwert (k^) zur Steuerung des Schrittmotors erzeugt und daß der Flußkorrekmrwert (k ) und der Drehmomentenkorrekmrwert (kM) in eine Ständerspannug (us) gewandelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerspannung einem Pulsweitenmodulator aufgegeben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler jeweils einen proportionalen und einen integralen Anteil aufweisen.
11. Changiereinrichtung zum Verlegen eines Fadens mit einem innerhalb eines Changierhubes hin- und herbewegten Changierfadenführers (8), mit einem den Changierfadenfüher (8) antreibenden Schrittmotor (4) und mit einer mit dem Schrittmotor (4) verbundenen Steuereinheit (22), welche den Schrittmotor (4) derart steuert, daß die Position und die Geschwindigkeit des Changierfadenführeres (4) durch einen Rotor (5) des Schrittmotors (4) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereineinheit (22) eine Flußsteuereinrichtung (1) und einen Umrichter (2) aufweist, daß die Flußsteuereinrichtung (1) mit dem
Umrichter (2) verbunden ist und daß die Flußsteuereinrichtung (1) eine Ständerspannung erzeugt und die Ständerspannung dem Umrichter (2) zur Steuerung des Schrittmotors (4) aufgibt.
12. Changiereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußsteuereinrichtung (1) einen Drehmomentenregler (19) und/oder einen Fluß regier (20) aufweist, deren Ausgangssignale mitttels eines Pulsweitenmodulator (21) dem Umrichter (2) aufgegeben werden.
13. Changiereinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußsteuereinrichtung (1) mit einem am Schrittmotor(4) angeordneten Lagesensor (3) verbunden ist, welcher die Winkellage des Rotors (5) erfaßt.
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