WO2009010459A1 - Reglereinrichtung für antriebsmotoren - Google Patents

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WO2009010459A1
WO2009010459A1 PCT/EP2008/059069 EP2008059069W WO2009010459A1 WO 2009010459 A1 WO2009010459 A1 WO 2009010459A1 EP 2008059069 W EP2008059069 W EP 2008059069W WO 2009010459 A1 WO2009010459 A1 WO 2009010459A1
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motor
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memory
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Thomas Budde
Ingo Geier
Klaus Oberndorfer
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Program-control systems
    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/04—Program control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Program control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/43—Speed, acceleration, deceleration control ADC
    • G05B2219/43092—Torque curve, wave stored in rom, ram

Definitions

  • the invention relates to a control device for accurately controlling the torque of electric drives with a servomotor, in which the value of the rotation angle of the motor is transmitted by an encoder to the control device.
  • corresponding sensors are used, such as torque or pressure sensors, via which the value to be controlled is measured directly and used in the control device for controlling / regulating the motor current.
  • a motor model is stored in the control device, based on which the torque constant of the electric motor is estimated and then the control takes place.
  • this procedure provides only approximate values.
  • EP 0 896 265 A1 describes a drive device in which a memory is provided in the housing of the electric motor, in which motor-specific data are stored and which are transmitted via a signal line to a control module.
  • the parameters mentioned in this application deal with controller characteristics, but also motor data such as maximum permissible speed, maximum permissible current, startup parameter or type of drive, ie synchronous or asynchronous motor.
  • the parameters required to precisely control the torque are the torque constant of the motor and the information on the angle-dependent key ripple.
  • the torque constant of the motor is the ratio of the current to the resulting torque. This constant deviates from engine to engine up to a few percent due to production and is also dependent on the operating point. So it decreases sharply beyond the rated speed.
  • the torque ripple is the angle-dependent deviation of the torque of the motor at constant current resulting from the so-called cogging of the motor. It is superimposed periodically on the shaft torque of the motor.
  • the information necessary for controlling the motor current for precise torque control is available, without the need for a corresponding sensor in the process. It can also be used motors, which were originally not intended for this application and in which the characteristics were determined on an engine test bench.
  • the torque constant is operating point dependent and the torque ripple is angle dependent. Both characteristic values are stored as function curves in the memory. They are read out of the memory by the control device and used to control the motor current.
  • the memory is conveniently designed as a non-volatile semiconductor memory and the stored characteristic values are transmitted to the control device.
  • the encoder can be embodied in all conventional techniques, ie as absolute value encoder or incremental encoder.
  • the characteristics are advantageously determined during the manufacture of the engine and stored in the memory.
  • This signal transmission corresponds favorably to a standardized serial bus. This means that commercially available computers can also be connected to this signal line and the values read out and changed. Thus, values determined on a test bench can be stored in the memory.
  • the values may also be enclosed with the engine in writing or on a data carrier. They are then easy to take over the computer.
  • the identification values may also include an identification number by means of which the engine can be uniquely identified. Then there is the possibility that the characteristics of the engine are retrieved from the Internet and transferred to the memory.
  • the values of the torque ripple can also be determined in an installed system by the control device.
  • the load is disconnected from the motor and measured with a sufficiently high number of bases over 360 °, the current that is necessary to keep the engine in position in position control.
  • a controller controls multiple servomotors.
  • the characteristic values are stored in the associated memories for each servomotor and these are read out by the control device.
  • FIG. 1 shows schematically a control device with servomotor
  • Figure 2 shows the same arrangement with multiple servomotors
  • FIG. 3 shows a diagram for the torque constants kT and
  • FIG. 4 shows a diagram for the torque ripple MW.
  • FIG. 1 the arrangement of the control device R and the motor M is shown schematically with its encoder G.
  • the encoder G receives the rotation angle of the motor and outputs it via the signal line 2 to the control device R. This controls the current in the connecting lines 5 for the motor M.
  • the housing 4 of the encoder G and the memory 1 is housed.
  • Values in the memory 1 are also transmitted to the controller 3 via the signal line 2.
  • FIG. 2 shows the same arrangement with three motors M.
  • the respective connection lines 5 are connected to the motors in order to supply them with regulated current.
  • the signal line 2 leads here in each case to a connector 3 on the encoder housings 4 and thus allows the read-out of the respective memory 1 in addition to the transmission of the values for the angles of rotation from the transmitters G.
  • FIG. 3 shows the graph for the torque constant kT versus the torque MM. Furthermore, the relationship between the motor current I and the torque MM is plotted. It can be seen that the torque constant kT is operating point-dependent.
  • the values in the diagram correspond to an example of an engine.
  • FIG. 4 shows, by way of example, a diagram for the torque ripple MW over the angle of rotation W. It can be seen the so-called Nutrasten, of which the maximum torque MMmax and the minimum torque MMmin result. In order to take into account such an angle dependence, a corresponding number of interpolation points for the characteristic values MW are to be recorded.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zur genauen Regelung des Drehmomentes von elektrischen Antrieben mit einem Servomotor, bei dem der Wert des Drehwinkels des Motors durch einen Geber erfasst und an die Regeleinrichtung übertragen wird. Erfindungsgemäß sind die Kennwerte des Servomotors in einem Speicher (1) gespeichert und diese Kennwerte werden zur Steuerung des Motorstromes genutzt. Somit erhält man eine Regeleinrichtung mit der eine genaue Regelung des Drehmoments von Antriebsmotoren möglich ist, ohne dass Sensoren verwendet werden müssen.

Description

Beschreibung
Reglereinrichtung für Antriebsmotoren
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zur genauen Regelung des Drehmomentes von elektrischen Antrieben mit einem Servomotor, bei dem der Wert des Drehwinkels des Motors durch einen Geber an die Regeleinrichtung übertragen wird.
Es gibt viele Prozesse, bei denen es auf eine hohe Genauigkeit des Drehmomentes von elektrisch angetriebenen Achsen ankommt, etwa bei dem Abzugsmoment von Wicklern oder dem Einspritzdruck von elektrischen KunststoffSpritzgießmaschinen .
Bisher werden entsprechende Sensoren verwendet, etwa Momenten- oder Drucksensoren, über die der zu regelnde Wert direkt gemessen und in der Regeleinrichtung zur Steuerung/Regelung des Motorstroms genutzt wird.
Bei einem anderen Ansatz wird in die Regeleinrichtung hinein ein Motormodell hinterlegt, anhand dessen die Drehmomentkonstante des Elektromotors geschätzt wird und daraufhin die Regelung erfolgt. Dieses Vorgehen liefert aber nur Näherungswerte .
In der EP 0 896 265 Al wird eine Antriebsvorrichtung beschrieben, bei der im Gehäuse des Elektromotors ein Speicher vorgesehen ist, in dem motorspezifische Daten abgelegt sind und die über eine Signalleitung zu einem Steuermodul über- tragen werden. Die in dieser Anmeldung genannten Parameter behandeln Reglercharakteristiken, aber auch Motordaten wie maximal zulässige Drehzahl, maximal zulässiger Strom, Anlaufparameter oder Art des Antriebes, also Synchron- oder Asynchronmotor .
Die Anmeldung gibt keinen Hinweis auf die Motorkennwerte, die für eine genaue Drehmomentregelung erforderlich sind. Es wird also immer noch ein weiterer Sensor benötigt, der zur Regelung des Drehmomentes genutzt wird.
Die für die genaue Regelung des Drehmomentes notwendigen Pa- rameter sind die Drehmomentkonstante des Motors und die Informationen zu der winkelabhängigen Nutrastenwelligkeit .
Die Drehmomentkonstante des Motors ist das Verhältnis des Stromes zu dem resultierenden Drehmoment. Diese Konstante weicht fertigungsbedingt von Motor zu Motor bis zu einigen Prozent ab und ist auch arbeitspunktabhängig. So nimmt sie jenseits der Nenndrehzahl stark ab.
Die Drehmomentenwelligkeit ist die winkelabhängige Abweichung des Drehmomentes des Motors bei konstantem Strom, die sich aus dem so genannten Nutrasten des Motors ergibt. Sie überlagert sich periodisch dem Wellenmoment des Motors.
Die genaue Kenntnis dieser beiden Kennwerte eines Motors ist erforderlich, wenn für eine Momentenregelung oder -Steuerung auf einen Sensor für das erzeugte Drehmoment oder den resultierenden Druck verzichtet werden soll.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Regeleinrichtung anzu- geben, die eine genaue Regelung des Drehmomentes von Antriebsmotoren erlaubt, ohne dass Sensoren diesen Wert erfassen .
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Durch die Speicherung der Kennwerte des Servomotors in einem Speicher stehen die für die Regelung des Motorstroms zur genauen Momentensteuerung notwendigen Informationen zur Verfügung, ohne dass es eines entsprechenden Sensors bei dem Pro- zess bedarf. Es können also auch Motoren eingesetzt werden, die ursprünglich nicht für diesen Einsatzfall gedacht waren und bei denen die Kennwerte auf einem Motorprüfstand ermittelt wurden.
Für die Momentenregelung sind die Kenntnis der Drehmomentkonstante des Motors und der Drehmomentenwelligkeit erforderlich. Die Drehmomentkonstante ist arbeitspunktabhängig und die Drehmomentenwelligkeit ist winkelabhängig. Beide Kennwerte werden als Funktionsverläufe in dem Speicher abgelegt. Sie werden durch die Regeleinrichtung aus dem Speicher ausgelesen und zur Steuerung/Regelung des Motorstromes verwendet.
Der Speicher ist günstigerweise als nichtflüchtiger Halblei- terspeicher ausgeführt und die gespeicherten Kennwerte werden zur Regeleinrichtung übertragen. Dabei kann der Geber in allen üblichen Techniken, also als Absolutwertgeber oder inkre- menteller Geber, ausgeführt sein.
Die Kennwerte werden vorteilhafterweise bei der Herstellung des Motors ermittelt und in dem Speicher hinterlegt.
Diese Signalübertragung entspricht dabei günstigerweise einem standardisierten seriellen Bus. Damit können dann auch han- delsübliche Computer an diese Signalleitung angeschlossen werden und die Werte ausgelesen und verändert werden. So können auf einem Prüfstand ermittelte Werte in dem Speicher abgelegt werden.
Die Werte können auch dem Motor schriftlich beigelegt sein oder auf einem Datenträger geliefert werden. Sie sind dann über den Computer einfach zu übernehmen.
Zu den Kennwerten kann auch eine Identifikationsnummer ge- hören, über die der Motor eindeutig identifiziert werden kann . Dann besteht die Möglichkeit, dass die Kennwerte für den Motor aus dem Internet abgerufen und in den Speicher übertragen werden .
Die Werte der Drehmomentenwelligkeit können auch in einer installierten Anlage durch die Regeleinrichtung ermittelt werden. Dazu wird die Last vom Motor getrennt und mit einer genügend hohen Anzahl von Stützpunkten über 360° der Strom gemessen, der notwendig ist, den Motor in dieser Position in Lageregelung zu halten.
Es ist auch vorgesehen, dass eine Regeleinrichtung mehrere Servomotoren steuert. Dazu sind zu jedem Servomotor die Kennwerte in den zugehörigen Speichern hinterlegt und diese wer- den von der Regeleinrichtung ausgelesen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine Regeleinrichtung mit Servomotor;
Figur 2 die gleiche Anordnung mit mehreren Servomotoren;
Figur 3 ein Diagramm für die Drehmomentkonstante kT und
Figur 4 ein Diagramm für die Drehmomentenwelligkeit MW.
In Figur 1 ist schematisch die Anordnung der Regeleinrichtung R und des Motors M mit seinem Geber G dargestellt. Der Geber G nimmt den Drehwinkel des Motors auf und gibt ihn über die Signalleitung 2 an die Regeleinrichtung R. Diese steuert den Strom in den Anschlussleitungen 5 für den Motor M. Im Gehäuse 4 des Gebers G ist auch der Speicher 1 untergebracht. Die
Werte in dem Speicher 1 werden auch über die Signalleitung 2 zu der Regeleinrichtung 3 übertragen.
In Figur 2 ist die gleiche Anordnung mit drei Motoren M dar- gestellt. An der Regeleinrichtung R sind die jeweiligen Anschlussleitungen 5 für die Motoren angeschlossen, um sie mit geregeltem Strom zu versorgen. Die Signalleitung 2 führt hier zu jeweils einem Steckverbinder 3 an den Gebergehäusen 4 und erlaubt damit das Auslesen der jeweiligen Speicher 1 neben der Übertragung der Werte für die Drehwinkel aus den Gebern G.
Figur 3 zeigt das Diagramm für die Drehmomentkonstante kT über dem Drehmoment MM. Weiterhin ist der Zusammenhang zwischen dem Motorstrom I und dem Drehmoment MM aufgetragen. Es ist zu sehen, dass die Drehmomentkonstante kT arbeitspunktab- hängig ist. Die Werte in dem Diagramm entsprechen beispielhaft einem Motor.
In Figur 4 ist beispielhaft ein Diagramm für die Drehmoment- welligkeit MW über dem Drehwinkel W dargestellt. Es sind die so genannten Nutrasten zu erkennen, aus denen sich das maximale Drehmoment MMmax und das minimale Drehmoment MMmin ergeben. Um eine solche Winkelabhängigkeit zu berücksichtigen, sind entsprechend viele Stützstellen für die Kennwerte MW zu erfassen .

Claims

Patentansprüche
1. Regeleinrichtung zur genauen Regelung des Drehmomentes von elektrischen Antrieben mit einem Servomotor, bei dem der Wert des Drehwinkels des Motors durch einen Geber erfasst und an die Regeleinrichtung übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte des Servomotors in einem Speicher (1) gespeichert sind und diese Kennwerte zur Steue¬ rung des Motorstromes genutzt werden.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Kennwerten die Drehmomentkonstante (kT) und die Drehmomentenwelligkeit (MW) des Servomotors (M) gehören .
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung der Kennwerte in einem nichtflüchtigen Halbleiterspeicher erfolgt.
4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte über die gleiche Signallei¬ tung (2) wie die Werte des Drehwinkels zur Regeleinrichtung (R) übertragen werden.
5. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte (kT, MW) bei der Herstellung des Motors (M) ermittelt und in dem Speicher (1) abgelegt werden .
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte (kT, MW) veränderbar sind.
7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte über einen Computer ausles- bar und veränderbar sind.
8. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Kennwerten eine Identifikationsnummer des Motors (M) gehört.
9. Regeleinrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte des Motors (M) aus dem Internet abrufbar sind.
10. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Drehmomentenwelligkeit durch die Re¬ geleinrichtung ermittelt wird.
11. Regeleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Drehmomentenwelligkeit (MW) der Strom über den Drehwinkel (W) ermittelt wird, durch den der Servomotor (M) in Lageregelung gehalten wird.
12. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Regeleinrichtung (R) mehrere Servo- motoren (M) mit jeweils Speicher (1) für die Motorkennwerte angeschlossen sind.
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