DE19641713A1 - Verfahren zur Drehmoment-Abschaltung eines Elektromotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehmoment-Abschaltung eines Elektromotors, der von einer elektrischen Versorgungseinrichtung betrie­ ben und dessen Drehmoment von der vorgegebenen Solldrehzahl und von dem von der Versorgungseinrichtung gelieferten Antriebsstrom geregelt wird.

Zum Betreiben eines Elektromotors dient eine Versorgungseinrichtung, die über einen Regler betrieben wird, in den der Drehzahl-Sollwert und der Drehzahl-Istwert eingespeist werden. Dabei wird der Drehzahl-Istwert von ei­ nem Drehzahlmesser geliefert, der meist als Tachometermaschine ausgebil­ det ist. Dem Motor ist normalerweise noch ein Getriebe nachgeschaltet, an dessen Spindel das Abgabedrehmoment zum Betreiben einer Last abgenom­ men wird. Als Stromversorgungseinrichtung für z. B. einen Gleichstrommo­ tor dient in der Regel ein Stromrichter-Stellglied bzw. Thyristor-Steller, des­ sen Abgabestrom über eine Phasenanschnittsteuerung einstellbar ist. Hierzu wird beispielsweise auf das Buch von O. Föllinger "Regelungstechnik" der Firma AEG-Telefunken verwiesen.

Der Regler sorgt dafür, daß der Motor bei einer vorgegebenen Solldrehzahl läuft. Es gibt Anwendungsfälle, wie z. B. den Einsatz eines Motors bei einer Bohrmaschine, bei denen die Forderung zu erfüllen ist, daß der Motor bei ei­ nem vorgegebenen Drehmoment, den Abschalt-Drehmoment, abschaltet. Dazu ist eine Abschaltvorrichtung vorgesehen, die den Antriebsstrom unter­ bricht. Um den Motor bei einem vorgegebenen Abschalt-Drehmoment abzu­ schalten, ist es notwendig, sowohl die Drehzahl als auch den Strom-Istwert meßtechnisch zu erfassen. Insbesondere die Messung des Strom-Istwertes hängt von mehreren Parametern, wie z. B. der Temperatur, ab und wird von daher als aufwendig angesehen, da die Einzelparameter konstant gehalten werden müssen. Die Erfassung der Drehzahlen über eine Tachometermaschi­ ne ist dagegen weniger problematisch.

Die Erfindung verfolgt den Zweck, ein Verfahren zur Drehmoment-Abschal­ tung eines Elektromotors verfügbar zu machen, das gegenüber den bekann­ ten Verfahren einen geringeren Aufwand erfordert und durch eine genaue­ re Stromwerterfassung für eine zuverlässige Abschaltung bei einem vorge­ gebenen Drehmoment ermöglicht.

Die Erfindung besteht darin, daß der Strom stufenweise in Abhängigkeit von der über einen Drehzahlmesser erfaßten Drehzahl des Motors eingestellt bzw. eingeregelt wird, daß ständig der einer Drehzahl zugeordnete Istwert des Motorstroms durch Vergleich mit einem vorgegebenen, den Abschalt-Drehmoment entsprechenden Abschaltstrom überwacht und abgeschaltet wird, wenn der Istwert des Stroms mit dem Abschaltstrom übereinstimmt.

Während also die Drehzahl bzw. die Solldrehzahl wie bisher über eine Tacho­ metermaschine festgestellt wird, wird der Stromwert, bei dem die Abschal­ tung erfolgen soll, festgelegt und die Abschaltung erfolgt dann, wenn der Strom-Istwert mit dem Stromabschaltwert übereinstimmt, was durch ständi­ gen Vergleich der beiden Stromwerte festgestellt wird. Bei diesem Verfah­ ren entfällt also die meßtechnische Erfassung des Motorstroms. Der wesent­ liche Vorteil besteht darin, daß der Strom nicht mehr gemessen wird und da­ mit die Aufwendungen entfallen, um die Parameter konstant zu halten, die den Stromwert beeinflussen.

Da zur Stromversorgung üblicherweise Stromrichter-Stellglieder oder für den Betrieb von Gleichstrommotoren bekannte Thyristor-Steller verwendet werden, die über den Phasenwinkel der Thyristoren angesteuert werden, kann das Verfahren dahingehend abgewandelt werden, daß anstelle des Ist­ stroms und des Abschaltstroms die jeweiligen Phasenwinkel herangezogen werden.

Ferner wird als weitere Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 beansprucht.

Das Wesen der Erfindung soll anhand eines in den Zeichnungen dargestell­ ten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Tabelle, in der für vorgegebene Motor-Solldrehzahlen und vorgegebene Abschalt-Drehmomente die zugehörigen Phasen­ winkel eingetragen sind;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Abschaltvorgangs und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer beispielsweisen Anordnung zur Durch­ führung des Verfahrens.

Die Tabelle gemäß Fig. 1 dient zur Durchführung der Abschaltung des Mo­ tors und ist so organisiert, daß als Spaltenvektor die Motor-Solldrehzahl und als Zeilenvektor das Abschalt-Drehmoment aufgetragen ist. In den Spalten und Zeilen sind die zugehörigen Phasenwinkel eingetragen, die bei vorgege­ bener Solldrehzahl das vorgegebene Abschalt-Drehmoment bestimmen. Zum Betrieb des Thyristor-Stellers werden diese über eine Steuerung Pha­ senwinkel eingegeben. Wie bereits erwähnt, ist bei vorgegebener Motor-Solldrehzahl und einem gewünschten Abschalt-Drehmoment ein bestimmter Phasenwinkel festgelegt, der sich aus der Tabelle ermitteln läßt. Das Verfah­ ren wird so durchgeführt, daß die in die Steuerung eingegebenen Phasen­ winkel ständig mit den Phasenwinkeln verglichen werden, bei denen die Ab­ schaltung erfolgen soll. Wenn beide Phasenwinkel übereinstimmen, erfolgt die Abschaltung sofort.

Zur Erläuterung des Verfahrens kann auch Fig. 2 herangezogen werden, welche die Netzspannung in Abhängigkeit von dem Strom bzw. dem Phasen­ winkel für eine positive Halbwelle darstellt. Als Beispiel sei angenommen, daß ein X-Vektor mit dem Wert 2 und ein Y-Vektor mit dem Wert 5 vorgege­ ben wird. Daraus läßt sich ein Phasenwinkel von 58,46° ermitteln. Bei diesem Wert erfolgt der Phasenanschnitt des Stellers, wie es in Fig. 2 eingetragen ist. Läuft der Motor bei Phasenwinkeln, die auf der rechten Seite des Phasen­ anschnittswerts liegen, dann ist das von dem Motor abgegebene Drehmo­ ment größer als das Abschaltmoment und der Motor läuft in Normalbetrieb. Für Phasenwinkel, die kleiner als der Phasenwinkel ist, der für die Motorab­ schaltung gewählt wurde, erfolgt die sofortige Abschaltung des Motors. Die­ ser Bereich kann als "Moment-Abschaltung" bezeichnet werden.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, die geeignet ist, das Verfahren gemäß der Er­ findung durchzuführen. Dem Motor 1 ist ein Steller 2 mit einer Phasenan­ schnittsteuerung vorgeschaltet, während der Motor 1 auf das Getriebe 3 ar­ beitet, an dessen Spindel 4 das Abgabedrehmoment für die Last auftritt. Zur Messung der Drehzahl ist eine Tachometermaschine 5 vorgesehen. Die An­ ordnung enthält ferner einen Mikroprozessor 6. Dem Mikroprozessor wird über eine Signalaufbereitung 7 die von der Tachometermaschine abgegebe­ ne Drehzahl eingegeben. Der Mikroprozessor führt u. a. die Funktion eines PI-Reglers aus. Damit die Abschaltung bei einem vorgegebenen Phasenwin­ kel erfolgen kann, werden dem Mikroprozessor sowohl die Solldrehzahl als auch das Abschaltmoment zugeführt. Die Eingabe der Solldrehzahl erfolgt über das Potentiometer 8 und den Analog-/Digital-Wandler 9, während für die Eingabe des Abschalt-Drehmoments das Potentiometer 10 und der Ana­ log-/Digital-Wandler 11 vorgesehen sind. Der Mikroprozessor ist so ausgelegt, daß er ständig die Phasenwinkel, welche an die Anschnittsteuerung ausgegeben werden, mit dem Phasenwinkel vergleicht, bei dem die Ab­ schaltung erfolgen soll. Wird Übereinstimmung der beiden Phasenwinkel festgestellt, veranlaßt der Mikroprozessor die Abschaltung des Motors.

Um die Abschaltung unabhängig von Netzschwankungen, die auf den Pha­ senwinkel Einfluß nehmen, zu machen, ist zusätzlich vorgesehen, die Netz­ spannung über eine Signalaufbereitung 12 und einen Analog-/Digital-Wand­ ler 13 dem Mikroprozessor einzugeben. Der Mikroprozessor führt dann einen Vergleich mit einer vorgegebenen Referenzspannung, beispielsweise 230 V, durch, und führt bei einer Abweichung von dieser Referenzspannung eine entsprechende Korrektur durch.

Wie bereits erläutert, ist zur Durchführung des Verfahrens eine Tabelle erfor­ derlich, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Diese Tabelle wird in einem ROM ab­ gespeichert und die Werte für die Durchführung des Verfahrens abgerufen. Es hat sich herausgestellt, daß bei hohem Abschaltmoment und/oder hoher Solldrehzahl, die bei der zugehörigen Last einen maximalen Phasenanschnitt erfordern, der gleiche Tabellenwert für verschiedene Abschaltmomente ste­ hen. Um diese Ungenauigkeit zu beseitigen, ist in diesen Fällen in der Tabelle anstelle des minimalen Phasenwinkels die Motor-Istdrehzahl eingetragen, bei der das zulässige, an die Last abgegebene Drehmoment erreicht wird.

Das Verfahren zur Motorabschaltung bei vorgegebenem Abschalt-Drehmo­ ment hat mehrere Vorteile. So kann das Eindrehen von gleichen Schrauben ohne besondere Beachtung oder Schwierigkeiten dadurch durchgeführt werden, daß das Drehmoment eingestellt wird, welches beim Anlegen des Schraubenkopfes an das Material auftritt. Damit werden alle Schrauben mit dem gleichen Drehmoment auch gleich tief in das Material geschraubt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Drehmoment-Abschaltung eines Elektromotors, der von ei­ ner elektrischen Versorgungseinrichtung betrieben und dessen Drehmo­ ment von der vorgegebenen Solldrehzahl und von dem von der Versor­ gungseinrichtung gelieferten Antriebsstrom geregelt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strom stufenweise in Abhängigkeit von der über ei­ nen Drehzahlmesser erfaßten Drehzahl des Motors eingestellt bzw. geregelt wird, daß ständig der einer Drehzahl zugeordnete Istwert des Motorstroms durch Vergleich mit einem vorgegebenen, dem Abschalt-Drehmoment ent­ sprechenden Abschaltstrom überwacht und abgeschaltet wird, wenn der Istwert des Stroms mit dem Abschaltstrom übereinstimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Stromrichter-Stellgliedes als Versorgungseinrichtung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ sorgungseinrichtung mittels einer Phasenanschnittsteuerung betrieben und anstelle des Iststromes und des Abschaltstroms der jeweilige Phasenwinkel herangezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchfüh­ rung des Abschaltvorgangs die Solldrehzahl, das Abschalt-Drehmoment und der Phasenwinkel tabellarisch derart festgelegt werden, daß

• a) als Zeilenvektor die Solldrehzahl des Motors in vorbestimmten Stu­ fenschritten aufgetragen ist,
• b) das Abschalt-Drehmoment in Stufenschritten als Spaltenvektor aufge­ tragen ist, und daß
• c) in den Spalten und Zellen die Phasenwinkel eingetragen sind, die bei gegebener Solldrehzahl die Abschaltung des Motors bei dem ge­ wünschten Abschalt-Drehmoment bewirken.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß der Phasenwinkel größer als der Phasenwinkel ist, bei dem der Elektromotor abgeschaltet werden soll, der Motor in Normalbetrieb arbeitet, und bei Pha­ senwinkeln unterhalb des Abschaltphasenwinkels der Motor abgeschaltet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei ho­ hen Abschalt-Drehmomenten und/oder hoher Solldrehzahl in der Tabelle an­ stelle der Phasenwinkel die Werte der entsprechenden Istdrehzahlen des Elektromotors eingetragen sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ sorgungseinrichtung mittels einer Wellenpaketsteuerung betrieben wird.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem bei einem vorgegebenen Drehmoment abzuschaltenden Mo­ tor, einer Steuereinrichtung zur Einstellung des den Antriebsstrom bestim­ menden Phasenwinkels, einem PI-Regler und einer Abschaltvorrichtung, ge­ kennzeichnet durch einen Mikroprozessor 6, dem über jeweils einen Analog-/Digital-Wandler 7, 11 die Solldrehzahl und das Abschalt-Drehmoment einge­ geben werden, dem ferner ein Drehzahlmesser 5 nach Aufbereitung der analogen Drehzahl ein der Istdrehzahl entsprechender Wert zugeführt wird, der über eine Verbindung zu der Steuereinrichtung des Stromrichter-Stell­ gliedes 2 die Phasenwinkel für den Antriebsstrom ausgibt, der einen ROM enthält, in dem die Tabelle nach Anspruch 3 gespeichert ist, und daß der Mikroprozessor so ausgelegt ist, daß er die Drehzahlregelung sowie den Ver­ gleich des bei vorgegebenen Drehzahl-Sollwert und Drehzahl-Abschaltmo­ ment festgelegten Abschalt-Phasenwinkel mit dem Strom-Istwert-Phasen­ winkel durchführt und bei Übereinstimmung dieser beiden Phasenwinkel die Abschaltung des Motors veranlaßt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikropro­ zessor zur Korrektur von Netzschwankungen über eine Einrichtung zur Si­ gnalaufbereitung mit dem Netz in Verbindung steht.