Synchroranotors

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung der Anfangslage eines Rotors bzw. Laufers eines m linearer oder rotativer Bauweise ausgeführten mehrphasigen Synchronmotors oder Reluktanzmotors, der von einem Frequenzumrichter gespeist wird, wobei dem Motor ein Teststrom mit vorgegebener Stromvektor-Phasenlage aufgeprägt und das daraus resultierende Drehmoment bzw. die Kraft bestimmt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens.

Tn Positioniereinrichtungen mit elektronisch gesteuerten Servoantrieben werden m zunehmendem Maße Synchronmotoren verwendet. Auch Reluktanzmotoren kommen zum Einsatz. Das gilt gleichermaßen für rotative und lineare Bauformen. Bei Synchronmotoren besteht aber im Gegensatz zu Gleichstrom- und Asynchronmotoren eine feste Beziehung zwischen der Lage des Laufers in Bezug auf den Stator und der Phasenlage des elektromagnetischen Wander- oder Drehfeldes. Beim Einschalten des Servoantriebs wird der in einer Undefinierten Stellung befindliche Laufer unter Umstanden ruckartig in die vom elektromagnetischen Wander- oder Drehfeld vorgegebene Stellung gebracht ("eingephast"), wobei der mechanische Ruck in Handhabungseinrichtungen zu Schaden an Maschinen oder Werkstucken fuhren kann.

Aus der US 47 46 850 ist em Verfahren zum Frfassen der Laufer-Ruhelage eines Synchronmotors bekannt, bei dem ein hochfrequenter Teststrom m die Frregerwicklung eingespeist und die dadurch induzierten Spannungen in den Stander- Phasenwicklungen gemessen wird. Aus deren Verhältnis wird die Ruhelage des Laufers bestimmt.

Bei einem ähnlichen Verfahren, das aus der EP 228 535 AI bekannt ist, wird das hochfrequente Testsignal dem Standerstrom oder der Standerspannung aufgeprägt.

Aus dem Artikel von Backhaus, Remold, Kalker: "A Procedure to Estimate the Absolute Position..." m: EPE- Konferenzbericht, Florenz, 1991, Band 3, Seiten 659 bis 663, ist em Verfahren bekannt, bei dem em m seiner Große wachsender Teststrom m vorgegebener Phasenlage aufgeprägt wird. Überschreitet das durch ihn hervorgerufene Drehmoment das Gegenmoment, welches sich aus Reibmoment und Lastmoment zusammensetzt, dann wird der Teststrom registriert und abgeschaltet. Um das unbekannte, aber gleichbleibende Gegenmoment zu eliminieren, sind mindestens zwei Messungen bei unterschiedlichen Phasenwinkeln notig. Aus diesen Messungen kann dann mit Hilfe eines Microcomputers die Ruhelage bestimmt werden. Dieser Vorgang kann bis zu fünf Sekunden dauern.

Aufgabe der Erfindung ist es, em Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, so daß mit einem geringeren Aufwand als bei bekannten Verfahren eine möglichst schnelle Bestimmung der Anfangslage erzielt wird. Eme weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens anzugeben.

Die Losung der Verfahrensaufgäbe besteht darin, daß bei Feststellung eines Drehmoments bzw. einer Kraft die Vektor- Phasenlage des Teststroms m der Richtung gedreht wird, m der das Drehmoment bzw. die Kraft vermindert wird.

In der Praxis kann dieser Vorgang beispielsweise so ablaufen, daß die Steuerelektronik m einen definierten Grundzustand versetzt wird, der einer definierten Grundstellung der Phasenlage des Wander- oder Drehfeldvektors entspricht, daß die Drehstromwicklungen entsprechend der genannten Grundstellung mit im Verhältnis

zur Nennstromstarke schwachen, vorzugsweisen von Null ansteigenden, Teststromen versorgt werden, wobei die am Laufer auftretenden Kräfte oder Drehmomente erfaßt werden, und daß die Phasenlage des Wander- oder Drehfeldes verändert wird, bis die Kraft oder das Drehmoment im wesentlichen verschwindet.

Dabei werden die für die Versorgung der Drehstromwicklungen vorgesehenen Strome von der Steuerelektronik zunächst m bestimmte Verhältnisse zueinander gebracht, die eine erste Phasenlage des Feldvektors festlegen. Wenn nachfolgend die Teststrome in dem festgelegten Verhältnis Zueinander ansteigen, wird am Läufer ein Ansteigen der Kräfte bzw. Drehmomtente auftreten. Sobald diese meßbar sind, kann der nächste Verfahrensschritt, namlich die Veränderung der Phasenlage in Richtung einer Verkleinerung der Kräfte bzw. Drehmomente, durchgeführt werden.

Beim erfindungsgemaßen Verfahren wird die Phasenlage des Wander- oder Drehfeldvektors gegenüber der mechanischen Lage des Motors justiert, ehe nennenswerte Kräfte oder Drehmomente erzeugt werden. Ein ruckartiges Einschwenken des Laufers wird mit Vorteil vermieden. Nach dem Einjustieren kann der Synchronmotor ruckfrei anfahren. Dabei ist der zur Durchfuhrung des Verfahrens erforderliche apparative oder schaltungstechnische Aufwand mit Vorteil sehr viel geringer als beim Stand der Technik. Beispielsweise kann auf die Bereitstellung von hochfrequenten Teststromen oder auf einen zur Auswertung bestimmtem Microcomputer und die erforderliche Software verzichtet werden. Das erfindungsgemaße Verfahren verwendet auch keine aufwendigen Algorithmen, sondern gewinnt aus einem zur Feststellung des Drehmoments dienenden Signal auf einfachste Weise - fast direkt - eine Steuergröße zum Drehen der Vektor-Phasenlage. Dabei wird - im Unterschied zum Stand der Technik - der

Lastwinkel Null durch Verandern der Strom-Phasenlage aufgesucht.

Das Verfahren kann noch dadurch verbessert werden, daß aus dem Verhältnis der Starke der Kraft oder des Drehmoments zur Starke des Teststroms der Lastwinkel bestimmt und die Phasenlage des Wander- oder Drehfeldes bei großem Lastwinkel schneller und bei kleinem Lastwinkel langsamer angepaßt wird. Diese Maßnahme macht sich den Umstand zu Nutze, αaß die Kraft bzw. das Drehmoment ungefähr proportional zur Stromstarke multipliziert mit dem Sinus des Lastwinkels ist. Daraus folgt, daß der Quotient aus der Starke der Kraft oder des Drehmoments geteilt durch die Stromstarke ungefähr proportional zum Sinus des Lastwinkels, bei kleinen Lastwinkeln also ungefähr proportional zum Lastwinkel selbst ist. Wenn nun der genannte Quotient groß ist, so bedeutet dies einen großen Lastwinkel, der durch eine schnelle Verschiebung des Wanderfeldes bzw. eine schnelle Drehung des Drehfeldes schnell verkleinert wird. Bei einem kleinen Lastwinkel hingegen wird die Phasenlage des Wander- oder Drehfeldes langsamer angepaßt. Durch diese Strategie erhalt man insgesamt eme relativ schnelle Emregelung mit hoher Genauigkeit .

Die Genauigkeit der Emregelung kann noch dadurch verbessert werden, daß die Stromstarke der Teststrome mit kleiner werdender Phasendifferenz erhöht wird, vorzugsweise bis zum Erreichen der Nennstromstarke. Durch diese Maßnahme wird die Stromstarke vom Lastwinkel abhangig, so daß einerseits bei großen Lastwinkeln eine zu große Kraft bzw. em zu großes Drehmoment und damit ein Rucken des Laufers nicht befurchtet werden muß, wahrend andererseits bei kleinen Lastwinkeln stets eme meßbare Kraft bzw. em meßbares Drehmoment vorliegt, womit eme genauere Justierung bis zum Verschwinden des Lastwinkels möglich ist. Bei nahezu

verschwindendem Lastwinkel können die Teststrome ohne Gefahr bis zum Erreichen der Nennstromstarke gesteigert werden.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemaßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Steuerelektronik anschließend an eine erste Justierung in einen zweiten Grundzustand versetzt wird, der einer von der ersten Grundstellung der Phasenlage des Wander- oder Drehfeldvektors abweichenden zweiten Grundstellung entspricht, und daß danach alle weiteren Verfahrensschritte wiederholt werden. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, daß auch in dem Fall eines ursprünglichen Lastwinkels von 180° em sicheres und im wesentlichen ruckfreies Anfahren gewährleistet ist.

Bei einem Lastwinkel von exakt 180° treten namlich unabhängig von der Starke der Teststrome keine Kräfte oder Drehmomente am Laufer auf. Deshalb fuhrt em erster Durchgang des Verfahrens m diesem Ausnahmefall nicht zur Anpassung des Lastwinkels. Hier kommt jetzt der zweite Durchgang des Verfahrens zum Zuge, bei dem die Steuerelektronik m emen zweiten Grundzustand versetzt wird, wobei der Wander- bzw. Drehfeldvektor eme von der ersten Grundstellung beispielsweise um 90° abweichende zweite Grundstellung einnimmt. Wenn der Lastwinkel im ersten Durchgang ausnahmsweise bei 180° lag, so ist er beim zweiten Durchgang mit Sicherheit kleiner als 180°. Durch die Wiederholung aller weiteren Verfahrensschritte erfolgt also spätestens im zweiten Durchgang eme Justierung des Lastwinkels, so daß er im wesentlichen verschwindet.

Eme einfach Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem Drehmomentsensor oder Kraftsensor und einer ihm nachgeschalteten Zusatzsteuerung für den Frequenzumrichter zur Lieferung des Teststroms mit der vorgegebenen Vektor-Phasenlage.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, daß bei einem elastischen Antriebsverband ein Weggeber oder Drehgeber eines vorhandenen Lagemeßsystems als Kraft- oder Drehmomentsensor dient, indem eme Auslenkung aus einer Ruhestellung zum Erfassen der Kraft oder des Drehmoments am Laufer gemessen wird. In diesem Fall ist kein zusätzlicher Kraft- oder Drehmomentsensor erforderlich. Der bei der Servoantriebsvorrichtung mit Lagemeßsystem ohnehin vorhandene Weggeber oder Drehgeber mißt einfach eme durch die Kraft bzw. das Drehmoment bedingte geringfügige Auslenkung. Dabei kann sowohl die Verschiebe- bzw. Drehrichtung als auch die Große der Auslenkung, die ungefähr proportional dem Produkt aus Strom und Sinus des Lastwinkels ist, bestimmt werden. Der Laufer des Synchronmotors wird dabei j e nach Große der Kraft bzw. des Drehmoments mehr oder weniger elastisch ausgelenkt. Diese Maßnahme funktioniert auch in Verbindung mit den üblicherweise verwendeten mkrementalen Weggebern.

Das Anfahren des Synchronmotors wird in zwei Stufen durchgeführt. Zuerst wird gemäß der oben angegebenen Formel das Minimum der Kräfte- bzw. Momentenkurve einjustiert, wobei der zum Antrieb des Synchronmotors erforderliche Lastwinkel zu Null wird. Erst dann wird der für den gesteuerten Betrieb gunstigste Lastwinkel eingestellt und Stromstarken für die Drehstromwicklungen vorgegeben, um den Synchronmotor in Bewegung zu setzen.

In Ausgestaltung der Vorrichtung mit inkrementalem Weggeber oder Drehgeber ist vorgesehen, daß die Steuerelektronik einen Inkrementalzahler aufweist, der aus den gegebenenfalls mittels eines Untersetzers angepaßten - Impulsen des Inkrementalgebers eine digitale Phasenlageinformation bildet, die in emem angeschlossenen Funktionsgenerator in eine zwei- oder mehrphasige Drehstromvorgabe für den Synchronmotor umgewandelt wird.

Eme derartige Steuerelektronik arbeitet im wesentlichen digital mit der Folge einer erhöhten Zuverlässigkeit gegenüber Toleranzen und einer erhöhten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Regelvorgangs.

In einer einfachen Ausgestaltung der Steuerelektronik weist die Zusatzsteuerung einen an den Inkrementalgeber oder Untersetzungszahler angeschlossenen Digital/Analog-Wandler mit einem nachfolgenden analogen Regelverstarker und einem vom Regelverstarker gesteuerten Impulsgenerator auf, der an den Inkrementalzahler Zahlimpulse zur Vorgabe der Teststrom- Phasenlage abgibt. Dabei kann eine Veränderung der Phasenlage des Wander- oder Drehfeldes in Abhängigkeit von der am Inkrementalgeber festgestellten Auslenkung, die der Kraft bzw. dem Drehmoment am Laufer entspricht, durch einfaches Eingeben zusatzlicher Zahlimpulse in den Inkrementalzahler herbeigeführt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Steuerelektronik ist vorgesehen, daß der Regelverstärker eine Stromvorgabe zur Erzeugung der Kraft oder des Drehmoments am Laufer an den Funktionsgenerator abgibt. Der so gebildete Regelkreis regelt die Stromvorgabe m Abhängigkeit von den gemessenen Kräften bzw. Drehmomenten, wodurch diese stets so klein gehalten werden, daß ein unerwünschtes Rucken des Laufers nicht auftreten kann.

Andererseits ist es vorteilhaft, wenn der Regelverstarker die Motorstrome bei sinkenden Kräften bzw. Drehmomenten ansteigen und die Impu] sfolgefrequenz des Impulsgenerators abfallen laßt. Die Kraft bzw. das Drehmoment sinkt bei Annäherung der Phasenlage des Wander- bzw. Drehfeldvektors an den Vektor des Erregerfeldes bzw. bei Reluktanzmotoren an die Vorzugsrichtung des magnetischen Kreises. Bei sehr kleiner Phasendifferenz ist auch die Kraft bzw. das Drehmoment sehr klein. Um den Lastwinke] exakt auf Null

justieren zu können, ist jedoch em meßbares Drehmoment erforderlich. Um die Abnahme des Drehmoments bei abnehmendem Lastwinkel zu kompensieren, wird daher der Motorstrom erhöht. Gleichzeitig wird die Impulsfolgefrequenz des Impulsgenerators verringert, um die ideale Winkelstellung durch eine langsamere Annäherung exakter einstellen zu können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung emes Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung.

Die einzige Figur zeigt eme schematische Darstellung einer erfindungsgemaßen Servoantriebsvorrichtung in Form eines Blockschaltbildes .

Die dargestellte Servoantriebsvorrichtung weist einen elektrischen Synchronmotor 1 mit emem nicht gezeigten drehbaren Laufer und ebenfalls nicht gezeigten festen Drehstromwicklungen auf, wobei von einer m Fachkreisen bekannten Anordnung auszugehen ist. Weiterhin umfaßt die Servoantriebsvorrichtung eme Steuerelektronik 2, die praktisch die gesamte schematische Darstellung ausfüllt. Die Steuerelektronik 2 liefert über drei Zuleitungen 3,4,5 die elektrischen Strome für die Drehstromwicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes von einstellbarer Starke und Kreisfrequenz. Die drei genannten Strome smd in bekannter Weise als Drehstrom ausgestaltet, d.h. es handelt sich um drei sinusförmige Wechselstrome gleicher Frequenz, die zueinander eme Phasenverschiebung von jeweils 120° aufweisen. Der Laufer des Synchronmotors 1 dreht sich synchron mit der Drehstromfrequenz, wobei das am Laufer auftretende Drehmoment einerseits von der Stromstarke und andererseits von der Winkeldifferenz zwischen dem Drehfeldvektor und dem Erregerfeld des Laufers, bei

Reluktanzmotoren von der Vorzugsrichtung des magnetischen Kreises, abhängt.

Stromstarke und Kreisfrequenz werden in der Steuerelektronik 2 durch einen Funktionsgenerator 6 vorgegeben, der eine eingegebene digitale Richtungsinformation m drei Vorgaben R,S,T für die drei Komponenten des Drehstroms umwandelt. Dabei benutzt der Funktionsgenerator 6 eme fest vorprogrammierte Sinusfunktion und feste Phasenbeziehungen für die Vorgaben der drei Drehstromkomponenten.

Die drei Stromvorgaben R,S,T werden an eine Leistungsemheit 7 weitergegeben, in der die Strome für die

Drehstromwicklungen des Synchronmotors 1 entsprechend den Vorgaben erzeugt werden. Über die Zuleitungen 3,4,5 gelangt der Drehstrom zum Synchronmotor 1.

Der Synchronmotor 1 ist über eme mechanische Verbindung 8 mit einem Inkrementalgeber 9 verbunden. Bei emer Drehung des Synchronmotors 1 erzeugt der Inkrementalgeber 9 Impulse, die über eine Impulsleitung 10 in einen Untersetzungszähler

11 der Steuerelektronik 2 gelangen. Der Untersetzungszahler 11 paßt die Schrittweite des Inkrementalgebers 9 an die Schrittweite eines

Inkrementalzahlers 12 an, der mit dem Untersetzungszahler 11 über Zahlleitungen 13 verbunden ist. Der Inkrementalzahler

12 zahlt die vom Untersetzungszahler 11 gelieferten Impulse und bildet daraus eme digitale Drehrichtungsinformation, die über eine Datenleitung 14 m den Funktionsgenerator 6 eingegeben wird. Beim Betrieb des Synchronmotors 1 wird jetzt im Funktionsgenerator 6 die standig wechselnde Winkelstellung des Laufers berücksichtigt. Weiterhin berücksichtigt der Funktionsgenerator 6 eme Stromvorgabe und eme Lastwinkelvorgabe für den Synchronmotor 1, die über eme Stromvorgabeleitung 15 und eine

Lastwinkelvorgabeleitung 16 in den Funktionsgenerator 6 eingegeben werden.

Die Steuerelektronik 2 weist eine Baugruppe 17 auf, die zur Steuerung des Einphasens des Drehfeldes bestimmt ist. Die Baugruppe 17 besteht aus einem Digital/Analog-Wandler 18, der über eine Datenleitung 19 mit dem Untersetzungszahler 11 verbunden ist. Der Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 18 ist über eine Signalleitung 20 mit einem Regelverstarker 21 verbunden, an dessen Ausgang ein Regelsignal anliegt, das über eme Steuerleitung 22 in einen Impulsgenerator 23 gelangt. ⁿ \

Für die Synchronisation des Drehfeldes mit der Stellung des Laufers wird die Steuerelektronik 2 in einen besonderen Betriebszustand versetzt. Für diesen Zweck weist die Steuerelektronik 2 eine AblaufSteuerungseinheit 24 auf, die zur Betätigung von drei Umschaltern 25,26,27 dient. Mit einem ersten Umschalter 25 wird die Stromvorgabeleitung 15 von der externen Stromvorgabe auf eine interne Stromvorgabeleitung 28 geschaltet, die mit der Baugruppe 17 verbunden ist. Über den zweiten Umschalter 26 wird die zum Funktionsgenerator 6 fuhrende Lastwmkelvorgabeleitung 16 mit einer internen Lastwinkelvorgabeleitung 29 verbunden, die zur AblaufSteuerungseinheit 24 fuhrt. Der dritte Umschalter 27 verbindet den Inkrementalzahler 12 im Normalbetrieb über die Zahlleitungen 13 mit dem Untersetzungszahler 11 und im Einphasungsbetrieb über Einphasungsleitungen 30 mit dem Impulsgenerator 23. Die Betätigung der Umschalter 25,26,27 erfolgt über Umschaltleitungen 31,32.

Bei Aktivierung der Steuerelektronik wird diese in den Einphasungsmodus geschaltet und die Ablaufsteuerungseinheit 24 bringt die Umschalter 25,26,27 in die bildlich dargestellten Stellungen. Gleichzeitig gibt die

Ablaufsteuerungsemheit 24 über die Lastwmkelvorgabeleitung 29 eme Winkelvorgabe für den Drehfeldvektor in den Funktionsgenerator 6 ein. Wenn am Laufer des Synchronmotors 1 ein Drehmoment erzeugt wird, gelangen Impulse vom Inkrementalgeber 9 über den Untersetzungszähler 11 m den Analog/Digital-Wandler 18 und von dort in den Regelverstarker 21, der über ein Steuersignal 22 den Impulsgenerator 23 zur Abgabe von Impulsen an den Inkrementalzahler 12 veranlaßt. Der Inkrementalzahler 12 erzeugt an seinem Ausgang digitale Richtungsdaten, die über die Datenleitung 14 in den Funktionsgenerator 6 gelangen, der aufgrund dieser Richtungsdaten die Drehstromvorgaben R,S,T entsprechend einer Drehung des Drehfeldvektors verändert. Das so gedrehte magnetische Drehfeld ruft jetzt ein kleineres Drehmoment am Laufer hervor, so daß über den Inkrementalgeber 9 und den Untersetzungszahler 11 eme kleinere Auslenkung mittels Datenleitung 19 m den Digital/Analog-Wandler 18 eingegeben wird. Der Regelverstarker 21 reagiert auf die geänderte Auslenkungsinformation, indem er über die Steuerleitung 22 sowohl die Stromvorgabe in der Stromvorgabelei tung 28 erhöht, als auch eine geringere Zahl von Zahlimpulsen über die Emphasungsleitungen 30 an den Inkrementalzahler 12 abgibt .

Nachdem das gemessene Drehmoment - gegebenenfalls bis auf einen unwesentlichen Rest - endgültig abgesunken ist, ist der erste Durchgang beendet. Im zweiten Durchgang wird die Regelung noch einmal mit einer anderen Winkelvorgabe für die Grundstellung des Drehfeldvektors wiederholt. Danach schaltet die AblaufSteuereinheit 24 die Umschalter 25,26,27 in ihre Normalbetriebsstellung und der Synchronmotor 1 kann unter Vorgabe des Stroms und des Lastwinkels angefahren werden .

Eme entsprechend angepaßte Servoantriebsvorrichtung mit Steuerungsverfahren kann auch zum ruckfreien oder ruckarmen Anfahren bzw. Inbetriebnahme emes Linearmotors verwendet werden. Voraussetzung ist lediglich eine feste Beziehung (Synchronisierung) zwischen emem Erregerfeld, beispielsweise einem periodischen Dipolfeld eines ortsfesten Stators, und einem durch mehrphasige Strome verschiebbaren Wanderfeld, beispielsweise einem Drehstromfeld eines linear beweglichen Laufers . Die auf den rotierenden Drehstrommotor bezogenen Begriffe sind m diesem Fall gegen entsprechende Begriffe des Linearmotors auszutauschen.

Bezugszeichenliste

Synchronmotor Steuerelektronik Zuleitung Zuleitung Zuleitung Funktionsgenerator Leistungseinheit mechanische Verbindung Inkrementalgeber Impulsleitung Untersetzungszähler Inkrementalzahler Zählleitungen Datenleitung Stromvorgabeleitung Lastwinkelvorgabeleitung Baugruppe Digital/Analog-Wandler Datenleitung Signalleitung Regelverstarker Steuerleitung Impulsgenerator Ablaufsteuerungseinheit erster Umschalter zweiter Umschalter dritter Umschalter Stromvorgabeleitung Lastwinkelvorgabeleitung Einphasungsleitungen Umschaltl eitung Umschaltleitung