DE19651427A1 - Verfahren zur lage- und/oder winkelsynchronen Steuerung von technologisch verketteten Antriebssystemen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lage- und/oder winkel­ synchronen Steuerung von technologisch verketteten Antriebs­ systemen, bei denen zu Antriebsgruppen zusammengefaßte Einzel­ antriebe über Taktsignale in Form von inkrementalen oder codier­ ten Kommandosignalen gesteuert werden und die ggf. über ein oder mehrere Getriebeeinheiten mit weiteren Antrieben oder Stell­ gliedern verbunden sind sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus R. Schönfeld "Digitale Regelung elektrischer Antriebe", VEB- Verlag Technik Berlin 1. Auflage, 1987 Seite 97 sind Gleichlauf­ steuerungen technologisch verketteter Antriebe bekannt. Diese werden beispielsweise in der Druckindustrie für den Antrieb der Druckrollen von Druckmaschinen, bei Papiermaschinen, Werkzeug­ maschinen, Textilmaschinen, Kranen oder dergleichen angewendet.

Die früher verwendete mechanischen Gleichlaufeinrichtungen sind inzwischen durch hochwertige digitale Gleichlaufregelungen abge­ löst worden, von denen zwei grundsätzlich verschiedene Ausfüh­ rungsformen nachfolgend beschrieben werden:

1. Übertragung der Bewegungsgrößen als Encodersignal

Bei der Substitution der mechanischen Lösung wurde zunächst ein elektronisch synchronisierter Mehrmotorenantrieb entwickelt.

Dabei werden die Bewegungsgrößen Winkel, Weg sowie Drehzahl (Geschwindigkeit und Beschleunigung) vorgegeben. Die Übertragung der Bewegungsgrößen erfolgt inkremental als Encodersignal nach dem sogenannten "Master-Slave"-System. Der Masterregler läuft drehzahlgeregelt und der Slaveregler erhält über einen Sollwert­ kanal die Positionsvorgabe vom Lagegeber des Masters.

Bei einem Lageregelsystem mit inkrementalen Winkelgebern treten Quantisierungsfehler beim durch Differentiation aus dem Posi­ tionssignal erzeugten Drehzahlsignal auf. Dieser Quantisierungs­ fehler wird umso höher, je weiter die Abtastfrequenz des Lage­ reglers ansteigt. Die daraus resultierende Begrenzung der Ab­ tastfrequenz verringert die erreichbare Lagegenauigkeit. Mit anderen Worten: Die Meßwertauflösung verschlechtert sich bei­ spielsweise bei kleinen Drehzahlen und hohen Abtastfrequenzen.

2. Sollwertvorgabe als Zahlenwert (Kommandosignal)

Hier erfolgt die Datenübertragung von einem (virtuellen) Master über einen Bussystem an einen Rechner, der den Zahlenwert (Posi­ tion, Drehzahl, Beschleunigung) in ein Führungssignal für den Slaveregler überträgt.

Es wird ein diskontinuierliches Signal mit Abtastfrequenzen im Bereich von 0,5 bis 10 KHz erzeugt und übertragen. Die Slave­ regler müssen taktsynchron arbeiten, da sonst ein Lagefehler auftritt, der sich aus dem Produkt von Abtastzeit und Linien­ geschwindigkeit ergibt. Die Taktsynchronisation wird durch eine geeignete Software und Hardware und entsprechender Rechnerzeit erzielt. Diese Systeme sind teuer und sehr unflexibel, da sie bei einer Konfigurationsänderung mit erheblichem Aufwand ange­ paßt werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur lage- und/oder winkelsynchronen Steuerung von technologisch verketteten Antriebssystemen und eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens anzugeben, wobei folgende Probleme gelöst werden müssen:

• 1. Freie Zuordnung der Antriebe zu einem virtuellen Master.
• 2. Der virtuelle Master kann jede Antriebsbaugruppe unabhängig und separat von anderen Gruppen bedienen.
• 3. Die Zuordnung von Einzelantrieben zu Gruppen erfolgt über Software und läßt sich leicht ändern.
• 4. Die Winkelvorgabe für den Antriebsregler erfolgt in genü­ gender zeitlicher und winkelbezogener Auflösung.
• 5. Zur Verbesserung des Regelverhaltens können wahlweise Dreh­ zahl- und Beschleunigungswerte zusätzlich verwendet werden.
• 6. Die Entstehung von Schwebungen bei Reihenschaltung getakte­ ter digitaler Systeme muß verhindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Es hat sich gezeigt, daß das erfin­ dungsgemäße Verfahren eine Verringerung der Makulatur während der Einrichtphase und im dynamischen Betrieb von Druckwerken ermöglicht. Die Druckwerke können darüber hinaus in beliebiger Art verkettet werden und mit Zusatzeinrichtungen wie Abrollung, Einzug, Trockner, Falzer, Aufrollung und Schneider versehen werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind in den Einzel­ antrieben oder in den Einzelreglern Programme integriert, die mit einem entsprechenden Algorithmus eine Übergangsfunktion erzeugen um die Übergänge bei Start- und Stopp-Vorgang zu ver­ gleichmäßigen. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung stehen nicht nur Einzelwerte, wie bei einem Encodersystem, sondern vollstän­ dige Funktionen zur Verfügung, die durch Ableitung aus den Win­ kelwerten gebildet werden. Die Synchronisation von Lage- und/oder Winkelpositionen schließt die Synchronisation von Ge­ schwindigkeit und Beschleunigung bzw. Drehzahl und Winkelbe­ schleunigung ein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Prinzipbild eines aus mehreren Antriebsgruppen zu­ sammengesetzten Antriebssystems,

Fig. 2: Blockschaltbild eines von einem Master-Rechner und einem Quarzoszillator gesteuerten Antriebsreglers I,

Fig. 3: Blockschaltbild eines Antriebsreglers II analog zu Fig. 2 mit zentraler Ermittlung der Sollwert-Funktion,

Fig. 4: Gleichlaufregelung einer Antriebsgruppe, z. B. einer Walzwerksregelung.

In Fig. 1 ist eine quarzgesteuerte Zeitbasis 1 mit einer Über­ tragungsstrecke 2 an die Antriebsregler 3 angeschlossen. Die Übertragung der Zeit erfolgt impulsförmig vorzugsweise als Encodersignal. Damit verfügt jeder Antriebsregler 3 unabhängig von eigenen Regelzyklus über eine genaue Systemzeit.

Wichtig ist eine gemeinsame Startzeit aller Antriebe. Dies kann beispielsweise durch Aussenden eines Nullimpulses über die Quarzzeitbasis 1 erfolgen, wodurch in allen Antriebsreglern 3 eine gemeinsame Startzeit vorgegeben wird. Durch Zuschaltung eines Kommandosignals, z. B. über eine serielle Schnittstelle, werden den Antriebsreglern Steuersequenzen zur Ausführung der gewünschten Lageposition übertragen. Dabei sind im Regler die Einzelheiten zu der auszuführenden Bewegung wie z. B. entspre­ chende Hochlaufkurven vordefiniert, so daß mit einem Kommando­ signal, z. B. Fahren auf Drehzahl, Stopp etc. der Antriebsregler selbsttätig die vorgegebenen Befehle abarbeitet.

Mit dem Steuerbefehl wird zugleich auch der Zeitpunkt für das Wirksamwerden eines nächsten Befehls definiert. Daher braucht der Kommandokanal keine Echtzeitforderung zu erfüllen, um die Antriebe winkelsynchron zu betreiben. Man kann die Ausführung des nächsten Befehles entsprechend vordatieren.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild für eine Variante 1 bei der Sollwertaufbereitungen am Antriebsregler dargestellt.

Im Zeitregister werden die von der Quarzzeitbasis 1 empfangenen Zeitimpulse registriert. Somit steht immer eine absolute System­ zeit mit einer Aktualisierungsrate von einigen 100 KHz, vorzugs­ weise von mindestens 800 KHz bereit. Mit dieser absoluten System­ zeit wird eine zwischen den Antriebsreglern, driftfreie Zeit für die Sollwertberechnung herangezogen.

Im Sollwertrechner 7 laufen die von einem Kommandokanal 1 her empfangenen Start- und Steuersignale über entsprechend zugeord­ nete Startzeitregister 2 und Steuerregister 3 zusammen. Ferner ist ein Register für die Art der Übergangsfunktion 4 vorhanden, mit dem die Form der Hochlauf- bzw. Bremsrampe für die Berechnung des Winkel-, Drehzahl- und Momentensollwertes vorgegeben wird.

In der in Fig. 2 dargestellten Variante I ist die erfindungs­ gemäße Sollwertberechnung mit einer in den einzelnen Antriebs­ reglern vorhandenen Steuerungslogik beschrieben, die einen de­ finierten, mathematischen Algorithmus beinhaltet. Mit dem Algo­ rithmus können die Übergangsfunktionen, z. B. die Kurvenform in den Übergängen beim Start-/Stopp-Vorgang reguliert werden. Daher stehen für die erfindungsgemäße Regelung nicht Einzelwerte, sondern vollständige Funktionen zur Verfügung.

Als Parameter können Drehzahl- und Momentenwerte verwendet wer­ den, die durch Ableitung aus den Winkelwerten gebildet wurden. Bei Gruppenbildung werden hierzu gleiche Zeitdaten verwendet, d. h. der Zeitbefehl kann mit unterschiedlicher Startzeit an ver­ schiedene Adressen abgesandt werden.

Mit dem Algorithmus ist die Auflösung der abgeleiteten Größen, wie Drehzahl und Beschleunigung, nicht mehr durch die Diskreti­ sierung des Lagesollwertes begrenzt. Das Maß der Auflösung für die Vorsteuerwerte ist nur noch davon abhängig, wie genau die interne Zahlendarstellung des Rechenalgorithmus ist und wie stabil die Quarzzeitbasis ist.

Jeder Antrieb kann seinen eigenen Regelzyklus aufweisen und die einzelnen Antrieben können sogar ohne Beeinträchtigung des Ge­ samtregelverhalten asynchron zueinander laufen. Der bei den bisher verwendeten Bussystemen erforderliche Aufwand zur Syn­ chronisation der Regelkreise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entfallen.

In Fig. 3 ist eine weiter Variante II mit einer zentralen Er­ mittlung der Sollwert-Funktionen dargestellt. Dabei ist der Master mit einem Rechner für zeitbezogene Daten z. B. Winkel, Drehzahl, Beschleunigung zu einer zentralen Baueinheit zusammen­ gefaßt. Im Antriebsregler verbleibt nur noch ein Korrektur-Rech­ ner, ein sogenannter Interpolator, der die extern ermittelten zeitbezogenen Daten entsprechend der aktuellen Systemzeit aufbe­ reitet. Somit werden die Funktionskurven für Winkel, Drehzahl und Beschleunigung im Master ermittelt und im Antriebsregler nach Korrektur durch den Interpolator als Sollwertsignal mit den Istwerten des Leistungsteils verglichen.

Mit dem Senden von unterschiedlichen Steuersequenzen an ver­ schiedene Antriebsgruppen können voneinander unabhängige An­ triebsgruppen gebildet werden. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Innerhalb der Antriebsgruppen können die Einzelantriebe aber wiederum synchron arbeiten. Dieses ist dadurch möglich, daß der Sollwertverlauf in jedem Antriebsregler separat nach Vorgabe der jeweiligen Steuersequenzen über den Kommandokanal berechnet wird. Variante I und II sind hierbei universell einsetzbar.

Claims (6)

1. Verfahren zur lage- und/oder winkelsynchronen Steuerung von technologisch verketteten Antriebssystemen, bei denen zu Antriebsgruppen zusammengefaßte Einzelantriebe über Takt­ signale in Form von inkrementalen oder codierten Kommando­ signalen gesteuert werden und die über eine oder mehrere Getriebeeinheiten mit weite­ ren Antrieben oder Stellgliedern verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantriebe ein gemeinsames Zeitsignal erhalten und ein Steuersignal für die Einzelantriebe aus einer Ver­ knüpfung von Zeit- und Kommandosignal gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsignale in einem oder mehreren Zeitregistern gespeichert werden und daß die Kommandosignale in Form von datumbezogenen Steuersignalen an die Einzelantriebe oder Antriebsgruppen gegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Einzelantrieb und/oder jeder Antriebsgruppe ein Zeitregister zugeordnet ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Einzelantrieb und/oder jeder Antriebsgruppe ein Rechner zugeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Rechner eines Einzelantriebes oder einer An­ triebsgruppe Betriebsprogramme enthalten sind, die durch ein datumbezogenes Steuersignal, in Form eines Fahrbefehls, in Betrieb gesetzt oder gestoppt werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestehend aus einem oder mehreren, über Signalleitungen zu einem Antriebssystem verketteten Einzelantrieben,
die durch Kommandosignal, ggf. unter Einschaltung von Be­ triebsprogrammen steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß eine für alle Einzelantriebe oder Antriebsgruppen ge­ meinsame Zeitquelle vorhanden ist,
die kontinuierliche Zeitsignale generiert,
daß den Einzelantrieben oder Antriebsgruppen mindestens je ein Rechner und ein Zeitregister zugeordnet ist, das die aus der Zeitquelle generierten Zeitsignale aufsummiert und daß in dem oder den Rechnern Programme zur Errechnung von Führungsgrößen aus den Kommando- und Zeitsignalen vor­ handen sind.