WO2014094770A2 - Servoantriebssystem und verfahren zu dessen regelung - Google Patents

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WO2014094770A2
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Jörg KEGELER
Sven Lüdtke
Stefan Röll
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/06—Linear motors
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
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    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position

Definitions

  • the invention relates to a servo drive system and a method for position control for such a servo drive system.
  • the invention is used in particular in the environment of tool and production machines, where highly dynamic and with extreme accuracy requirements predetermined travel paths, for example, from a machining tool or a placement machine, etc. must be traversed.
  • a position and speed signal are usually specified by a higher-level controller.
  • command signals which are stored for example in an NC program
  • electrical setpoints for a power electronic converter unit are calculated, which finally drives a highly dynamic electric motor.
  • the dynamoelectric machine used here is a rotary electric machine, a linear motor or even a planar motor, which is movable in a plane defined by two degrees of freedom.
  • a planar motor in the form of a so-called. Sawyer motor is known.
  • the rotor also referred to as the forcer in the Sawyer motor, includes checkerboard phase coils for generating an electromagnetic field which interacts electromagnetically with a plate-like stator structure to move the forcer in two spatial directions spaced from the stator by an air gap.
  • phase coils of the forcer usually includes permanent magnets for generating an exciter field, which generates an electromagnetically induced force by interaction with the armature field generated by the coils via a correspondingly shaped stator structure.
  • Said line includes both data channels and supply lines for powering the phase coils of the forcer.
  • the external control which may typically be a programmable logic controller or a PC, calculates command values for an inverter based on command signals such as position and velocity of the forcer, which in turn converts corresponding currents into the forcer via the aforementioned lines impresses.
  • a disadvantage of the structure mentioned is the fact that a relatively high conduction inductance is present through the connection between the converter and the forcer, which acts during the energization of the phase coils. Furthermore, sensor signals that provide information about the current position of the forcer must be routed via the data bus to the external controller so that new switching signals for the inverter can be determined on the basis of these position signals.
  • US7135827B1 proposes to outsource both the power electronic components and the complete processing unit for determining the switching signals based on the command signals on the forcer.
  • a microcontroller On the Forcer a microcontroller is arranged, which calculates corresponding current nominal values for the converter, which energizes the phase coils of the Forcers on basis of higher-order command information such as set position and desired speed of the Forcers.
  • a data bus between the forcer and the external control unit must therefore exchange only higher-level command signals and measurement signals concerning the position of the forcer and its speed.
  • the invention has for its object to increase the dynamics of known servo systems and at the same time provide a cost-effective solution for this.
  • the servo drive system first comprises a dynamoelectric machine having a rotor with phase coils for generating a magnetic field. Through the magnetic field, the rotor interacts with a stator to produce propulsion.
  • the phase coils are energized by a converter. This is driven, for example, with a pulse width modulation method to impress currents in the phase coils, which generate a desired, predetermined advancing movement.
  • the said converter is mechanically fixed to the rotor.
  • This has the advantage that the phase currents are generated in the immediate vicinity of the phase coils. This reduces the leakage inductance between the inverter and the phase coils of the rotor, since no long cable routes are necessary. This has a positive effect on the electrical behavior of the arrangement. Since the converter currents usually have a high harmonic content, the line length is kept as low as possible both for reasons of efficiency optimization and to avoid electromagnetic interference.
  • the servo drive further comprises an external processing unit for determining an electrical setpoint value for the rotor on the basis of a command signal.
  • the command signal is a position to be approached by the runner and a speed to be set on the way to this target position.
  • the external processing unit can in particular be designed as a programmable logic controller (PLC) or as a personal computer (PC).
  • PLC programmable logic controller
  • PC personal computer
  • Such an external processing unit is connected to an internal processing unit fixedly connected to the rotor via a data bus for data communication.
  • the internal processing unit predefines phase current soli values to the converter, which are determined by the internal processing unit as a function of the electrical setpoint value and current rotor position information.
  • the data bus which enables the communication between the internal and the external processing unit, is realized in particular via a flexible cable between the rotor and an external processing station such as the already mentioned PLC.
  • This flexible cable must be designed so that it allows the travel paths provided by the runner.
  • a flexible line must be provided, which transports the electrical power to the rotor or to the inverter mounted on the rotor.
  • the peculiarity of the servo drive system according to the invention lies in the fact that the processing unit is set up to update said phase current setpoint values with a commutation frequency which is higher than the clock frequency of the data bus.
  • the realized in an advantageous embodiment as EtherCAT bus data bus is limited in terms of its clock frequency.
  • a high commutation frequency is sought, in order to achieve a high phase accuracy and thus high power.
  • the harmonic components and the noise development of the converter decrease with increasing switching or commutation frequency. In-phase commutation ensures that only current position information that is only a few microseconds old is used in each commutation cycle.
  • today's power MOSFETs can operate at a switching frequency in the region of 40 kilohertz, while the bus cycle of common industrial bus systems can only transmit data rates in the single-digit kilohertz range.
  • the proposed servo drive system makes it possible to operate at a much higher commutation frequency than is the case with conventional servo drive systems where the phase current setpoint calculation is performed on an external processing unit and the updated setpoint current vector subsequent to the data converter via the data bus must be transferred. Because in the latter arrangement, the commutation frequency is automatically limited by the clock frequency of the data bus.
  • the servo drive system makes it possible to divide the computing power for the determination of the phase current desired values into external and internal processing units.
  • Logic module in particular an FPGA or CPLD, find use. It is not necessary, as known from US7135827B1, a microprocessor be arranged on the rotor, which is concerned with the complex calculation of, for example, a desired current vector from the command signal.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is characterized in that the electrical setpoint value is a reference current vector related to a rotor-fixed coordinate system.
  • the electrical setpoint value is a reference current vector related to a rotor-fixed coordinate system.
  • common calculation methods from field-oriented control are used.
  • the known Clark transformation is used for transforming the three-phase nominal current values to two orthogonal independent nominal current values in order subsequently to convert the two rectangular independent phase nominal value currents to a rotor-fixed coordinate system by means of the Park transformation.
  • the dynamoelectric machine is designed as a planar motor, with the rotor, a position sensor is firmly connected, which comprises at least one position sensor for each of the two degrees of freedom of the rotor.
  • a position sensor may be, for example, a Hall sensor.
  • the rotor of the said planar motor can preferably be designed as a 2-phase rotor, wherein also an arbitrarily higher number of phases is conceivable and encompassed by the invention.
  • each of the two position sensors respectively defines an axis of a coordinate system fixed in position, wherein the external processing unit is arranged to determine the current vector with respect to the position-encoder-fixed coordinate system.
  • the current vector is thus rotated by the angle between the rotor and the measuring system attached to the rotor.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the external processing unit is set up in determining the Nominal current vector in addition to the command signal based on a rotor position information and an inverter characteristic, the inverter characteristic value indicates achievement of a power limit for the power to be fed into the rotor.
  • said rotor position information is sent to the external processing unit at a lower clock rate than is used in the internal processing unit to calculate the new three-phase, nominal current vector.
  • a field weakening proportion can be applied, in particular to the rotor-fixed current vector. This field weakening fraction can be controlled or regulated according to the current conditions. As a result, an increased maximum speed for the runner can be achieved.
  • Figure 2 is an illustration of a control circuit of a first embodiment of a
  • FIG. 3 shows a representation of a control loop of a second embodiment of a
  • FIG. 1 initially shows a control loop for regulating the position of a planar motor according to the prior art.
  • the planar motor is part of a servo drive system of a numerically controlled machine tool.
  • the planar motor contains a movable in two spatial axes part 1.
  • Elements of the movable part 1 include a polyphase inverter 2, which supplies power to a rotor 3 of the planar motor.
  • the rotor 3, not shown here phase coils for generating a magnetic air gap field.
  • Such a rotor 3 is referred to as a forcer in a planar motor, in particular a Saywer motor.
  • the control loop comprises a stationary unit 4.
  • the stationary unit 4 comprises, inter alia, a reference profile generator 5. This specifies a position setpoint value 6 and a speed setpoint value 7 on the basis of an NC program.
  • the part identified as stationary unit 4 is implemented, for example, on a PLC, which communicatively communicates with the movable part 1 via a data bus 8.
  • the data bus 8 is, for example, an EtherCAT bus.
  • Position information 11 is generated in the moving part 1 by means of Hall sensors (not shown), which are mechanically fastened to the rotor 3, which describe the information about the current position of the rotor 3 in relation to a stator on which the rotor 3 engages X, Y direction moves. Based on this position information 11, a commutation angle ⁇ is calculated. Values for sin (cp) and cos (cp) derived therefrom are in turn sent to the stationary unit 4 via the data bus 8 with the bus clock limited by the data bus 8 at the top. After a signal conditioning 12, the control unit of the stationary unit 4 actual values for the position, the speed and the commutation angle, each updated with the bus cycle, provided.
  • Planar motor is a 2-phase motor with a phase-locked-current vector with two components ii and 12.
  • the two derived from the command signal 6.7 components H and i 2 are sent via the data bus 8 to the moving part 1.
  • the current regulation in the moving part 1 is carried out by means of a further PI controller 13 and the current measured phase currents (actual values) and i 2 .
  • a disadvantage of the illustrated control circuit is that the current setpoint currents for the rotor phases can not be updated faster than the data bus 8 limited in the clock rate permits. Accordingly, the commutation frequency in the illustrated control loop is limited by the data transmission rate of the data bus 8. However, with today's power semiconductor switching elements significantly higher commutation frequencies would be possible in the illustrated control circuit is not the optimum in terms of dynamics, harmonic distortion and noise achieved.
  • FIG. 2 shows an illustration of a control circuit of a first embodiment of a method for position control according to the present invention.
  • this rotor fixed or measuring system fixed current vector with a low bus clock with respect to the control quality is much less critical than is the case with a rotating current vector.
  • a stationary current vector is calculated from the rotor-fixed current vector.
  • the steady-state desired current vector with the components * and i 2 is then adjusted as described above via a current control loop into the phase currents of the rotor 3.
  • the commutation angle ⁇ is now tracked with the commutation frequency, which is significantly greater than the data transmission frequency of the data bus 8, and thus a highly dynamic current regulation is realized.
  • the commutation frequency is 40 kHz while operating at a data bus frequency of 4 kHz.
  • FIG. 3 shows a representation of a control loop of a second embodiment of a method for position control according to the present invention.
  • the essential difference to the control circuit shown in Figure 2 is only in the moving part 1.
  • the current control is done by means of further Pl-controller 13 in runner fixed or measuring system fixed coordinate system and not as in Figure 2 only after the inverse transformation in the statorfeste coordinate system.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Servoantriebssystem sowie ein Verfahren zur Positionsregelung eines Läufers (3) eines derartigen Servoantriebssystems. Eine Verbesserung der Dynamik bei gleichzeitiger Reduzierung des Klirrfaktors wird dadurch erzielt, dass - eine elektrische Sollwertgröße für den Läufer (3) auf Grundlage eines Kommando-Signals (6,7) von einer externen Verarbeitungseinheit bestimmt und über einen Datenbus (8) mit einer Taktfrequenz an eine interne, fest mit dem Läufer (3) verbundene Verarbeitungseinheit gesendet wird, - mit der internen Verarbeitungseinheit Phasenstromsollwerte für den Umrichter (2) auf Grundlage der elektrischen Sollwertgröße und aktueller Läuferpositionsinformationen (11) vorgegeben werden und - besagte Phasenstromsollwerte mit einer Kommutierungsfrequenz aktualisiert werden, die höher als die Taktfrequenz ist, mit der der Datenbus (8) betrieben wird.

Description

Servoantriebssystem und Verfahren zu dessen Regelung
Die Erfindung betrifft ein Servoantriebssystem und ein Verfahren zur Positionsregelung für ein derartiges Servoantriebssystem.
Die Erfindung kommt insbesondere im Umfeld von Werkzeug- und Produktionsmaschinen zum Einsatz, wo hochdynamisch und mit extremen Genauigkeitsanforderungen vorgegebene Verfahrwege beispielsweise von einem Bearbeitungswerkzeug oder einem Bestückungsautomaten etc. abgefahren werden müssen.
Bei einer typischen Werkzeugmaschinensteuerung werden in der Regel ein Positionsund Geschwindigkeitssignal von einer übergeordneten Steuerung vorgegeben. Auf Basis derartiger Kommandosignale, die beispielsweise in einem NC-Programm hinterlegt sind, werden elektrische Sollgrößen für eine leistungselektronische Umrichtereinheit berechnet, die schließlich einen hochdynamischen Elektromotor ansteuert. Je nach Applikation handelt es sich bei der hier eingesetzten dynamoelektrischen Maschine um eine rotative elektrische Maschine, einen Linearmotor oder auch einen Planarmotor, der in einer durch zwei Freiheitsgrade definierten Ebene bewegbar ist.
Beispielsweise aus der US7135827B1 ist ein Planarmotor in der Bauform eines sog. Sawyer-Motors bekannt. Der Läufer, der beim Sawyer-Motor auch als Forcer bezeichnet wird, umfasst schachbrettartig angeordnete Phasenspulen zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, das mit einer plattenartigen Statorstruktur in elektromagnetische Wechselwirkung tritt, um den Forcer in zwei Raumrichtungen vom Stator über einen Luftspalt beabstandet zu bewegen. Neben den Phasenspulen umfasst der Forcer in der Regel Permanentmagnete zur Erzeugung eines Erregerfeldes, das durch Wechselwirkung mit dem von den Spulen erzeugten Ankerfeld über eine entsprechend gestaltete Statorstruktur eine elektromagnetisch induzierte Kraftwirkung erzeugt. Wie aus der genannten Schrift hervorgeht, ist es bekannt, einen solchen Forcer über eine flexible Leitung mit einer externen Steuerung zu verbinden. Besagte Leitung enthält sowohl Datenkanäle als auch Versorgungsleitungen zur Stromversorgung der Phasenspulen des Forcers. Die externe Steuerung, bei der es sich in der Regel um eine speicherprogrammierbare Steuerung oder auch einen PC handeln kann, berechnet auf Grundlage von Kommandosignalen wie Position und Geschwindigkeit des Forcers Stellgrößen für einen Umrichter, der wiederum entsprechende Ströme über die zuvor genannten Leitungen in den Forcer einprägt.
Nachteilhaft an der genannten Struktur ist die Tatsache, dass eine relativ hohe Leitungsinduktivität durch die Verbindung zwischen dem Umrichter und dem Forcer vorhanden ist, die bei der Bestromung der Phasenspulen wirkt. Ferner müssen Sensorsignale, die Aufschluss über die aktuelle Forcer-Position geben, über den Datenbus an die externe Steuerung geleitet werden, damit dort auf Basis dieser Positionssignale neue Schaltsignale für den Umrichter bestimmt werden können.
Um dem zu begegnen, schlägt die US7135827B1 vor, sowohl die leistungselektronischen Komponenten als auch die komplette Verarbeitungseinheit zur Bestimmung der Schaltsignale auf Grundlage der Kommandosignale auf den Forcer auszulagern. Auf dem Forcer ist ein Mikrocontroller angeordnet, der auf Grundlage höherwertiger Kommandoinformationen wie Sollposition und Sollgeschwindigkeit des Forcers entsprechende Stromsollwerte für den Umrichter, der die Phasenspulen des Forcers bestromt, berechnet. Ein Datenbus zwischen dem Forcer und der externen Steuereinheit muss somit nur noch höherrangige Kommandosignale und Messsignale betreffend die Position des Forcers und dessen Geschwindigkeit austauschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dynamik bekannter Servosysteme zu erhöhen und gleichzeitig eine kostengünstige Lösung hierfür anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Servoantriebssystem mit den Merkmalen gemäß Patentspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Positionsrege- lung eines Läufers einer dynamoelektrischen Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Servoantriebssystem umfasst zunächst eine dynamoelektrische Maschine mit einem Läufer mit Phasenspulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes. Über das magnetische Feld tritt der Läufer in Wechselwirkung mit einem Ständer, um einen Vortrieb zu erzeugen.
Die Phasenspulen werden von einem Umrichter bestromt. Dieser wird beispielsweise mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren angesteuert, um Ströme in die Phasenspulen einzuprägen, die eine gewünschte, vorgegebene Vortriebsbewegung zu erzeugen.
Erfindungsgemäß ist der besagte Umrichter mit dem Läufer mechanisch fest verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Phasenströme in unmittelbarer Nähe zu den Phasenspulen erzeugt werden. Hierdurch reduziert sich die Streuinduktivität zwischen dem Umrichter und den Phasenspulen des Läufers, da keine langen Leitungswege notwendig sind. Die wirkt sich positiv auf das elektrische Verhalten der Anordnung aus. Da die Umrichterströme in der Regel einen hohen Oberwellengehalt aufweisen, ist die Leitungslänge sowohl aus Gründen der Wirkungsgradoptimierung als auch zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen möglichst gering zu halten.
Erfindungsgemäß umfasst der Servoantrieb ferner eine externe Verarbeitungseinheit zur Bestimmung einer elektrischen Sollwertgröße für den Läufer auf Grundlage eines Kommandosignals. Bei dem Kommandosignal handelt es sich insbesondere um eine vom Läufer anzufahrende Position und eine Geschwindigkeit, die auf dem Weg zu dieser Zielposition einzustellen ist. Die externe Verarbeitungseinheit kann insbesondere als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder als Personal Computer (PC) ausgebildet sein. Eine solche externe Verarbeitungseinheit ist mit einer internen Verarbeitungseinheit, die fest mit dem Läufer verbunden ist, über einen Datenbus zur Datenkommunikation verbunden. Erfindungsgemäß gibt die interne Verarbeitungseinheit dem Umrichter Phasenstrom- soliwerte vor, die in Abhängigkeit der elektrischen Sollwertgröße und aktueller Läuferpositionsinformationen von der internen Verarbeitungseinheit bestimmt werden.
Der Datenbus, der die Kommunikation zwischen der internen und der externen Verarbeitungseinheit ermöglicht, ist insbesondere über ein flexibles Kabel zwischen dem Läufer und einer externen Verarbeitungsstation wie beispielsweise der bereits genannten SPS realisiert. Dieses flexible Kabel muss derart ausgelegt sein, dass es die vom Läufer vorgesehenen Verfahrwege erlaubt.
Ferner muss eine flexible Leitung vorgesehen werden, die die elektrische Leistung zum Läufer bzw. zu dem am Läufer befestigten Umrichter transportiert.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Servoantriebssystems liegt nun darin, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, besagte Phasenstromsollwerte mit einer Kommutierungsfrequenz zu aktualisieren, die höher als die Taktfrequenz des Datenbusses ist. Der in vorteilhafter Ausgestaltung als EtherCAT-Bus verwirklichte Datenbus ist hinsichtlich seiner Taktfrequenz begrenzt. Auf der anderen Seite wird eine hohe Kommutierungsfrequenz angestrebt, um eine hohe Phasenrichtigkeit und damit hohe Kraftwirkung zu erzielen. Des Weiteren sinken die Oberwellenanteile und die Geräuschentwicklung des Umrichters mit zunehmender Schalt- bzw. Kommutierungsfrequenz. Durch eine phasenrichtige Kommutierung ist sichergestellt, dass in jedem Kommutierungszyklus nur aktuelle und wenige Mikrosekunden alte Positionsinformationen genutzt werden. So kann beispielsweise mit heutigen Leistungs- MOSFETs mit einer Schaltfrequenz im Bereich von 40 Kilohertz gearbeitet werden, während der Buszyklus gängiger industrieller Bussysteme lediglich Datenraten im einstelligen Kilohertzbereich übertragen kann. Das vorgeschlagene Servoantriebssystem ermöglicht es, mit einer deutlich höheren Kommutierungsfrequenz zu arbeiten, als es bei herkömmlichen Servoantriebssystemen der Fall ist, bei denen die Phasenstromsollwertberechnung auf einer externen Verarbeitungseinheit durchgeführt wird und der aktualisierte Sollstromvektor im An- schluss über den Datenbus an dem am Läufer angeordneten Umrichter übertragen werden muss. Denn bei der letztgenannten Anordnung ist die Kommutierungsfrequenz automatisch durch die Taktfrequenz des Datenbusses begrenzt.
Auf der anderen Seite ermöglicht das erfindungsgemäße Servoantriebssystem eine Aufteilung der Rechenleistung zur Bestimmung der Phasenstromsollwerte auf externe und interne Verarbeitungseinheit. Dadurch, dass nicht die Kommandosignale wie Sollposition und Sollgeschwindigkeit direkt über den Datenbus an die interne Verarbeitungseinheit gesendet werden, sondern zunächst eine Berechnung der elektrischen Sollwertgröße auf Grundlage dieses Kommandosignals von der externen Verarbeitungseinheit durchgeführt wird, kann als interne Verarbeitungseinheit in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein programmierbarer Logikbaustein, insbesondere ein FPGA oder CPLD, Verwendung finden. Es muss nicht, wie aus der US7135827B1 bekannt, ein Mikroprozessor auf dem Läufer angeordnet werden, der mit der komplexen Berechnung beispielsweise eines Sollstromvektors aus dem Kommandosignal befasst ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die elektrische Sollwertgröße ein auf ein läuferfestes Koordinatensystem bezogener Sollstromvektor ist. Bei der Bestimmung dieses läuferfesten Sollstromvektors kommen gängige Berechnungsverfahren aus der feldorientierten Regelung zum Einsatz. Bei einem dreiphasigen Läufer wird beispielsweise die bekannte Clark- Transformation zur Transformation der dreiphasigen Sollstromwerte auf zwei rechtwinklige unabhängige Sollstromwerte angewendet, um im Anschluss mittels der Park- Transformation eine Umrechnung der zwei rechtwinkligen unabhängigen Phasensoll- wertströme auf ein läuferfestes Koordinatensystem zu bewirken. Der entscheidende Vorteil ergibt sich hierbei dadurch, dass nunmehr ein läuferfester Sollstromvektor über den Datenbus übertragen werden muss, der sich deutlich langsamer ändert als der rotierende Stromvektor im stehenden Bezugssystem.
Aus dem läuferfesten Stromvektor muss für den Umrichter zunächst eine Rücktrans- formation durchgeführt werden, damit dem Umrichter beispielsweise zwecks Pulsweitenmodulation Sollströme im herkömmlichen Koordinatensystem vorgegeben werden können. Bei dieser Rücktransformation werden die aktuellen Läuferpositionsinformationen benötigt. Diese Rücktransformation findet nun ausschließlich auf dem Läufer, d. h. unter Zuhilfenahme ausschließlich der internen Verarbeitungseinheit, statt. Dies hat zur Folge, dass die aktuellen Läuferpositionsinformationen nicht jedes Mal über den Datenbus an die externe Verarbeitungseinheit gesendet werden müssen, um einen aktuellen Sollstromvektor im stationären Bezugssystem zu erhalten.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die dynamoelektrische Maschine als Planarmotor ausgebildet, wobei mit dem Läufer ein Lagegeber fest verbunden ist, der für jeden der zwei Freiheitsgrade des Läufers mindestens einen Positionssensor umfasst. Bei einem derartigen Positionssensor kann es sich beispielsweise um einen Hall-Sensor handeln. Der Läufer des besagten Planarmotors kann vorzugsweise als 2-phasiger Läufer ausgebildet sein, wobei auch eine beliebig höhere Phasenzahl denkbar und von der Erfindung umfasst ist.
Um die Berechnung innerhalb der internen Verarbeitungseinheit weiter zu vereinfachen, definiert in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung jeder der beiden Positionssensoren jeweils eine Achse eines lagegeberfesten Koordinatensystems, wobei die externe Verarbeitungseinheit zur Bestimmung des Stromvektors in Bezug auf das lagegeberfeste Koordinatensystem eingerichtet ist. Der Stromvektor ist hierbei also um den Winkel zwischen dem Läufer und dem am Läufer befestigten Messsystem gedreht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die externe Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, bei der Bestimmung des Sollstromvektors neben dem Kommandosignal eine Läuferpositionsinformation und einen Umrichterkennwert zugrunde zu legen, wobei der Umrichterkennwert ein Erreichen einer Leistungsgrenze für die in den Läufer einzuspeisende Leistung kennzeichnet. Auch hier wird die genannte Läuferpositionsinformation mit einer niedrigeren Taktrate an die externe Verarbeitungseinheit gesendet, als sie in der internen Verarbeitungseinheit zur Berechnung des neuen dreiphasigen Sollstromvektors Verwendung findet. Sobald anhand des Umrichterkennwertes das Erreichen einer Leistungsgrenze für den Umrichter erkannt wird, kann insbesondere zum rotorfesten Stromvektor ein Feldschwächungsanteil aufgeschaltet werden. Dieser Feldschwächungsanteil kann entsprechend den aktuellen Bedingungen gesteuert oder geregelt werden. Hierdurch kann eine erhöhte Maximalgeschwindigkeit für den Läufer erzielt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Regelkreis zur Positionsregelung eines Planarmotors gemäß Stand der Technik,
Figur 2 eine Darstellung eines Regelkreises einer ersten Ausführungsform eines
Verfahrens zur Positionsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung und
Figur 3 eine Darstellung eines Regelkreises einer zweiten Ausführungsform eines
Verfahrens zur Positionsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Mithilfe der Figuren 1 bis 3 soll beispielhaft anhand eines Planarmotors der Kerngedanke der Erfindung weiter erläutert werden. Hierbei werden gleiche oder gleichwirkende Elemente durch identische Bezugszeichen in allen Figuren dargestellt.
Figur 1 zeigt zunächst einen Regelkreis zur Positionsregelung eines Planarmotors gemäß Stand der Technik. Es sei beispielhaft angenommen, dass der Planarmotor Teil eines Servoantriebssystems einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine ist. Der Planarmotor enthält einen in zwei Raumachsen beweglichen Teil 1. Elemente des beweglichen Teils 1 sind u. a. ein mehrphasiger Umrichter 2, der einen Läufer 3 des Planarmotors mit Strom versorgt. Entsprechend weist der Läufer 3 hier nicht dargestellte Phasenspulen zur Erzeugung eines magnetischen Luftspaltfeldes auf. Ein derartiger Läufer 3 wird bei einem Planarmotor, insbesondere einem Saywer Motor, auch als Forcer bezeichnet. Ferner umfasst der Regelkreis eine stationäre Einheit 4. Die stationäre Einheit 4 umfasst u. a. einen Referenzprofilgenerator 5. Dieser gibt einen Positionssollwert 6 und einen Geschwindigkeitssollwert 7 auf Basis eines NC- Programms vor.
Der als stationäre Einheit 4 gekennzeichnete Teil ist beispielsweise auf einer SPS implementiert, die über einen Datenbus 8 kommunikativ mit dem beweglichen Teil 1 in Verbindung steht. Bei dem Datenbus 8 handelt es sich beispielsweise um einen EtherCAT-Bus.
Auf Basis der vom Referenzprofilgenerator 5 vorgegebenen Kommandosignale 6, 7 werden mittels eines P-Reglers 9 und eines Pl-Reglers 10 unter Verwendung einer Vorsteuerung Sollwerte für den momentenbildenden Teil eines Stromvektors bezogen auf ein läuferfestes Koordinatensystem berechnet. Die momentenbildende Komponente eines solchen Vektors ist in der Figur mit dem Buchstaben iq bezeichnet.
Im beweglichen Teil 1 werden mithilfe von nicht dargestellten Hall-Sensoren, die am Läufer 3 mechanisch befestigt sind, Positionsinformationen 11 generiert, die Auf- schluss über die aktuelle Position des Läufers 3 in Bezug zu einem Stator beschreiben, auf dem sich der Läufer 3 in X, Y-Richtung bewegt. Auf Grundlage dieser Positionsinformationen 11 wird ein Kommutierungswinkel φ berechnet. Daraus abgeleitete Werte für sin(cp) und cos(cp) werden wiederum über den Datenbus 8 mit dem durch den Datenbus 8 nach oben hin begrenzten Bustakt an die stationäre Einheit 4 gesendet. Nach einer Signalkonditionierung 12 werden dem Regelkreis der stationären Einheit 4 Ist-Werte für die Position, die Geschwindigkeit und den Kommutierungswinkel, jeweils aktualisiert mit dem Buszyklus, zur Verfügung gestellt. Somit kann auf der stationären Einheit 4 dem Bustakt folgend jeweils ein neuer Sollstromvektor im stationären Koordinatensystem berechnet werden. Bei dem hier beispielhaft dargestellten Planarmotor handelt es ich um einen 2-phasigen Motor, dessen Phasensollstromvek- tor die zwei Komponenten ii und 12 aufweist. Die beiden aus dem Kommandosignal 6,7 abgeleiteten Komponenten H und i2 werden über den Datenbus 8 an den beweglichen Teil 1 gesendet. Mittels eines weiteren Pl-Reglers 13 und der aktuellen gemessenen Phasenströme (Istwerte) und i2 wird schließlich die Stromregelung im beweglichen Teil 1 durchgeführt.
Nachteilhaft an dem dargestellten Regelkreis ist, dass die aktuellen Sollströme für die Läuferphasen nicht schneller aktualisiert werden können, als es der in der Taktrate begrenzte Datenbus 8 erlaubt. Demnach ist die Kommutierungsfrequenz bei dem dargestellten Regelkreis durch die Datenübertragungsrate des Datenbusses 8 begrenzt. Da jedoch mit heutigen Leistungshalbleiterschaltelementen deutlich höhere Kommutierungsfrequenzen möglich wären, wird bei dem dargestellten Regelkreis nicht das Optimum hinsichtlich Dynamik, Klirrfaktor und Geräuschentwicklung erreicht.
Figur 2 zeigt eine Darstellung eines Regelkreises einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Positionsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der wesentliche Unterschied zu der im Zusammenhang mit Figur 1 dargestellten Regelung besteht darin, dass nunmehr nicht mehr ein rotierender Stromzeiger von der stationären Einheit 4 zum beweglichen Teil 1 über den Datenbus 8 übertragen wird, sondern ein Stromvektor, dessen Komponenten bezogen auf ein läufermesssystem- festes Koordinatensystem sind. Demnach wird in der stationären Einheit 4 zunächst ein Stromvektor mit den Komponenten ihq * und ihd * bestimmt. Dieser Stromvektor beschreibt den einzuprägenden Phasenstrom bezogen auf ein Positionsmesssystem des Läufers 3, welches auf die Hall-Sensoren dieses Messsystems bezogen ist. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass sich dieser Stromvektor deutlich langsamer ändert als ein rotierender Stromvektor, der auf ein stationäres Koordinatensystem bezogen ist. Demnach ist die Übertragung dieses läuferfesten bzw. messsystem- festen Stromvektors mit einem geringen Bustakt bezüglich der Regelgüte deutlich unkritischer, als es bei einem rotierenden Stromvektor der Fall ist. Innerhalb des beweglichen Teils 1 wird aus dem läuferfesten Stromvektor ein stationärer Stromvektor berechnet. Der stationäre Sollstromvektor mit den Komponenten * und i2 wird anschließend wie bereits beschrieben über eine Stromregelschleife in die Phasenströme des Läufers 3 eingeregelt.
Innerhalb des beweglichen Teils 1 wird nun mit der Kommutierungsfrequenz, die deutlich größer als die Datenübertragungsfrequenz des Datenbusses 8 ist, der Kommutierungswinkel φ nachgeführt und somit eine hochdynamische Stromregelung verwirklicht. Beispielsweise liegt die Kommutierungsfrequenz bei 40 kHz, während mit einer Datenbusfrequenz von 4 kHz gearbeitet wird.
Figur 3 zeigt eine Darstellung eines Regelkreises einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zur Positionsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu dem in Figur 2 dargestellten Regelkreis liegt lediglich im beweglichen Teil 1. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform geschieht die Stromregelung mittels des weiteren Pl-Reglers 13 im läuferfesten bzw. messsystem- festen Koordinatensystem und nicht wie in Figur 2 erst nach der Rücktransformation in das statorfeste Koordinatensystem.
Bezugszeichenliste
1 beweglicher Teil
2 Umrichter
3 Läufer
4 stationäre Einheit
5 Referenzprofilgenerator
6 Positionssollwert
Geschwindigkeitssollwert
8 Datenbus
9 P-Regler
10 Pl-Regler
11 Positionsinformationen
12 Signalkonditionierung
13 weiterer Pl-Regler

Claims

Patentansprüche
1. Servoantriebssystem mit
■ einer dynamoelektrischen Maschine mit einem Läufer (3) mit Phasenspulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes,
■ einen mit den Phasenspulen elektrisch und mit dem Läufer mechanisch fest verbundenen Umrichter (2),
■ einer externen Verarbeitungseinheit zur Bestimmung einer elektrischen Sollwertgröße für den Läufer (3) auf Grundlage eines Kommandosignals (6,7) und
■ einer internen, fest mit dem Läufer (3) verbundenen Verarbeitungseinheit zur Vorgabe von Phasenstromsollwerten für den Umrichter (2) auf Grundlage der elektrischen Sollwertgröße und aktueller Läuferpositionsinformationen (11),
wobei die externe Verarbeitungseinheit mit der internen Verarbeitungseinheit über einen Datenbus (8) verbunden ist und die interne Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, besagte Phasenstromsollwerte mit einer Kommutie- rungsfrequenz zu aktualisieren, die höher als die Taktfrequenz des Datenbusses ist.
2. Servoantrieb nach Anspruch 1 , wobei die elektrische Sollwertgröße ein auf ein läuferfestes Koordinatensystem bezogener Sollstromvektor ist.
3. Servoantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dynamoelektrische Maschine als Planarmotor ausgebildet ist, und mit dem Läufer (3) ein Lagegeber fest verbunden ist, der für jeden der zwei Freiheitsgrade des Läufers (3) mindestens einen Positionssensor umfasst.
4. Sensorantrieb nach Anspruch 2 und 3, wobei jeder der beiden Positionssensoren jeweils eine Achse eines lagegeberfesten Koordinatensystems definiert, wobei die externe Verarbeitungseinheit zur Bestimmung des Sollstromvektors in Bezug auf das lagegeberfeste Koordinatensystem eingerichtet ist.
5. Sensorantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die interne Verarbeitungseinheit einen programmierbaren Logikbaustein, insbesondere einen FPGA oder CPLD, umfasst.
6. Sensorantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die externe Verarbeitungseinheit als Speicherprogrammierbare Steuerung oder als PC ausgebildet ist.
7. Sensorantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Datenbus (8) Ethernet basiert ist.
8. Sensorantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kommandosignal (6,7) einen Positionssollwert (6) und einen Geschwindigkeitssollwert (7) für den Läufer (3) umfasst.
9. Sensorantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die exter- ne Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, bei der Bestimmung des Sollstromvektors neben Kommandosignal (6,7) eine Läuferpositionsinformation (11 ) und einen Umrichterkennwert zugrunde zu legen, wobei der Umrichterkennwert ein Erreichen einer Leistungsgrenze für die in den Läufer (3) einzuspeisende Leistung kennzeichnet.
10. Verfahren zur Positionsregelung eines Läufer (3) einer dynamoelektrischen Maschine, wobei der Läufer (3) Phasenspulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes aufweist, bei dem
* eine elektrische Sollwertgröße für den Läufer (3) auf Grundlage eines Kommandosignals (6,7) von einer externen Verarbeitungseinheit bestimmt und über einen Datenbus (8) mit einer Taktfrequenz an eine interne, fest mit dem Läufer (3) verbundene Verarbeitungseinheit gesendet wird, ■ mit der internen Verarbeitungseinheit Phasenstromsollwerte für einen Umrichter (2) auf Grundlage der elektrischen Sollwertgröße und aktueller Läuferpositionsinformationen (1 1 ) vorgegeben werden und
■ besagte Phasenstromsollwerte mit einer Kommutierungsfrequenz aktua- lisiert werden, die höher als die Taktfrequenz ist, mit der der Datenbus
(8) betrieben wird.
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