DE60310044T2

DE60310044T2 - Rückgekoppelter phasenausgleichsregler

Info

Publication number: DE60310044T2
Application number: DE60310044T
Authority: DE
Inventors: Kent J. Saint Paul SPINDLER; Robert J. Saint Paul CARLIN; Steven A. Saint Paul CINNAMON
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: KR20040091142A; AU2003207678A1; EP1485986B1; WO2003081763A1; EP1485986A1; DE60310044D1; JP2005528868A; US20030181999A1; ATE347191T1; JP4295119B2; KR100982093B1; US6690989B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft geschlossene Regelkreissysteme, wie beispielsweise Systeme zum Steuern von Herstellungsprozessen.
STAND DER TECHNIK
Herstellungssysteme mit kontinuierlicher Zufuhr, wie beispielsweise Herstellungssysteme, die zum Produzieren von Papier, Folie, Band oder dergleichen verwendet werden, enthalten oft eine oder mehrere motorgetriebene drehbare mechanische Komponenten, wie beispielsweise Walzen, Gießräder, Riemenscheiben, Zugwalzen, Zahnräder, Extruder, Zahnradpumpen und dergleichen. Diese Systeme enthalten oft elektronische Steuereinrichtungen, die Steuersignale ausgeben, um die Motoren anzustellen und die Motoren mit vorgegebenen Drehzahlen anzutreiben. Eine typische Steuereinrichtung enthält oft einen komplizierten geschlossenen Regelschaltkreis, der die Drehzahl des Motors überwacht und die Ausgangssignale korrigiert, um jeden erfassten Fehler auszugleichen.
Trotzdem tendieren die drehbaren mechanischen Komponenten dieser Systeme zu Drehzahlschwankungen, die oft auf die anderen mechanischen Komponenten dieser Systeme zurückzuführen sind, die den Motor an die drehbare mechanische Komponente koppeln. Zum Beispiel können Drehzahlschwankungen durch Getriebegehäuse, mechanische Kupplungen, Lagerreibung, Verzahnungsdrehmomente, Verstärkungsfaktor-Versatz von Sensoren und andere Unregelmäßigkeiten im System eingebracht werden. Diese Drehzahlschwankungen während des Herstellungsprozesses können zu Fehlerstellen oder Abweichungen in dem hergestellten Produkt führen. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Drehzahlschwankungen so zu reduzieren oder eliminieren, dass die drehbaren Elemente so weit wie möglich mit einer gewünschten Geschwindigkeit angetrieben werden können.
US-A-5 412 302 beschreibt ein Rotationsregelsystem, das einen Motor zum Antreiben eines Drehkörpers, einen Dreh-Impulsgeber zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit des Drehkörpers, eine CPU zum Steuern der Winkelgeschwindigkeit des Motors über einen Intervallzähler und einen Motortreiber enthält, der auf der erfassten Winkelgeschwindigkeit des Drehkörpers basiert. Die CPU bestimmt eine Übertragungsfunktion des Rotationsregelsystems und berechnet dann Verstärkungsfaktor- und Phasen-Grenzen auf Basis der Übertragungsfunktion. Die CPU wählt die geeignetsten Steuerparameter-Werte aus voreingestellten Werten aus, die in einem ROM gespeichert sind, wenn die Verstärkungsfaktor- oder Phasen-Grenze außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt.
KURZDARSTELLUNG
Die Erfindung betrifft allgemein adaptive geschlossene Regelungstechniken, die Drehzahlschwankungen von präzisionsgesteuerten drehbaren mechanischen Komponenten reduzieren. Insbesondere können die hierin beschriebenen adaptiven geschlossenen Regelungstechniken Drehzahlschwankungen dynamisch erfassen und reduzieren, selbst wenn sich die Drehzahlschwankungen in Amplitude, Frequenz und Phase während der Drehung eventuell ändern. Beispielhafte drehbare mechanische Komponenten enthalten zum Beispiel Walzen, Gießräder, Riemenscheiben, Zahnräder, Zugräder, Extruder, Zahnradpumpen und dergleichen.
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 15, 19 und 33 definiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung betrifft die Erfindung ein System mit einem Motor, der betriebsfähig ist, eine drehbare mechanische Komponente in Reaktion auf ein Motor-Steuersignal anzutreiben. Ein Sensor generiert ein Drehzahlsignal, das die Winkelgeschwindigkeit der mechanischen Komponente darstellt. Der Sensor kann zum Beispiel ein Sinus-Impulsgeber sein, der auf einer Welle der mechanischen Komponente angebracht ist. Eine Steuereinrichtung empfängt das Drehzahlsignal und generiert eine Gruppe von Datenelementen, die auf dem Drehzahlsignal basieren, über eine oder mehrere Umdrehungen der mechanischen Komponente.
Insbesondere bringt die Gruppe von Datenelementen Drehzahlschwankungen der mechanischen Komponente mit einer Vielzahl von Winkelpositionen der mechanischen Komponente in Bezug. Zum Beispiel kann die Gruppe von Datenelementen Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für die mechanische Komponente in jeder der Winkelpositionen umfassen. Alternativ kann die Steuereinrichtung das Drehzahlsignal in Frequenzkomponenten zerlegen und destruktive Frequenzen identifizieren. In diesem Fall kann die Gruppe von Datenelementen Frequenz-, Amplituden- und Phasendaten für die Komponenten umfassen.
Die Steuereinrichtung überwacht kontinuierlich das Drehzahlsignal, aktualisiert die Gruppe von Datenelementen und korrigiert das Motor-Steuersignal auf Basis der Gruppe von Datenelementen. Auf diese Weise stellt die Steuereinrichtung einen adaptiven geschlossenen Regelkreis für die mechanische Komponente bereit. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel ein Fehlersignal generieren, das auf der Gruppe von Datenwerten basiert, und das Fehlersignal als Rückkopplung in den geschlossenen Regelkreis einleiten, um das Motor-Steuersignal zu korrigieren. Zum Generieren des Fehlersignals verwendet die Steuereinrichtung ein Motor-Referenzsignal, wie beispielsweise ein Motor-Drehzahlreferenzsignal, ein Motor-Drehmomentreferenz signal oder ein Motor-Positionsreferenzsignal.
Die Steuereinrichtung hält die Gruppe von Datenelementen in einem Speichermedium, wie beispielsweise einem nichtflüchtigen Direktzugriffsspeicher (NVRAM), einem FLASH-Speicher oder dergleichen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung die Gruppe von Datenelementen als eine Nachschlagetabelle (LUT) speichern, in der die Datenelemente Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für die Winkelpositionen der mechanischen Komponente speichern. Zum Beispiel kann die Nachschlagetabelle N·M Datenelemente umfassen, wobei die N·M Datenelemente Winkelgeschwindigkeitsdaten für N Winkelpositionen über M Umdrehungen der mechanischen Komponente speichern.
Die Steuereinrichtung aktualisiert die Datenelemente kontinuierlich in Echtzeit, um eine adaptive Steuerung bereitzustellen und die Drehzahlschwankungen effektiv zu reduzieren. Zum Beispiel berechnet die Steuereinrichtung für jede Winkelposition eine durchschnittliche Geschwindigkeit der mechanischen Komponente über eine untergeordnete Gruppe der ablaufenden Winkelpositionen und subtrahiert die durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit von einer Referenzgeschwindigkeit, um einen aktuellen Geschwindigkeitsfehler zu produzieren. Die Steuereinrichtung aktualisiert dann das jeweilige Datenelement auf Basis der aktuellen Winkelposition der mechanischen Komponente und als eine Funktion des berechneten Geschwindigkeitsfehlers.
In einer anderen Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren, welches das Empfangen eines Drehzahlsignals, das die Winkelgeschwindigkeit einer drehbaren mechanischen Komponente darstellt, und das Generieren einer Gruppe von Datenelementen aus dem Drehzahlsignal umfasst. Die Gruppe von Datenelementen bringt Drehzahlschwankungen der mechanischen Komponente mit einer Vielzahl von Winkelpositionen der mechanischen Kompo nente in Bezug. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Generieren eines Fehlersignals auf Basis der Gruppe von Datenelementen und das Korrigieren eines Motor-Steuersignals auf Basis des Fehlersignals. Die Gruppe von Datenelementen kann Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für die mechanische Komponente an den Winkelpositionen umfassen. Alternativ können die Datenelemente Frequenz-, Amplituden- und Phasendaten für Frequenzkomponenten des Drehzahlsignals umfassen.
Die Details von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung werden in den begleitenden Zeichnungen und der folgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen offenkundig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispielsystem veranschaulicht, in dem eine Steuereinrichtung einen adaptiven geschlossenen Regelkreis zum Reduzieren von Drehzahlschwankungen einer Walze bereitstellt.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Übersicht über den Betrieb der Steuereinrichtung auf einer hohen Ebene veranschaulicht.
3 ist ein Blockschaltbild, das eine Abbildung von N Winkelpositionen auf die Walze veranschaulicht, um eine vollständige Umdrehung zu umspannen.
4A ist eine grafische Darstellung, die einen beispielhaften Geschwindigkeitsfehler der Walze veranschaulicht, wenn die Steuereinrichtung nicht angestellt ist, um Drehzahlschwankungen zu reduzieren.
4B ist eine grafische Darstellung, die einen beispielhaften Geschwindigkeitsfehler der Walze im Frequenzbereich veranschaulicht, wenn die Steuereinrichtung nicht angestellt ist, um Drehzahlschwankungen zu reduzieren.
4C ist eine grafische Darstellung, die in weiterem Detail eine destruktive Frequenz von sich ändernder Amplitude und Phase über eine Umdrehung der Walze veranschaulicht.
4D ist eine grafische Darstellung, die einen beispielhaften Geschwindigkeitsfehler der Walze im Frequenzbereich veranschaulicht, wenn die Steuereinrichtung angestellt ist, um Drehzahlschwankungen adaptiv zu reduzieren.
5A ist ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Ausführungsform der Steuereinrichtung in weiterem Detail veranschaulicht.
5B-5D sind Blockschaltbilder einer Reihe von Ausführungsformen für die Steuereinrichtung.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das einen beispielhaften Betriebsmodus eines Prozessors der Steuereinrichtung veranschaulicht, wenn Datenelemente generiert werden, die einen Geschwindigkeitsfehler zu Winkelpositionen der Walze in Bezug bringen.
7 ist ein Blockschaltbild, das eine Beispielgruppe von Datenelementen veranschaulicht.
8 ist ein Blockschaltbild, das eine weitere beispielhafte Gruppe der Datenelemente veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist ein Blockschaltbild, das ein beispielhaftes System 2 veranschaulicht, in dem eine Steuereinrichtung 4 einen adaptiven geschlossenen Regelkreis zum Reduzieren von Drehzahlschwankungen einer Walze 10 bereitstellt. Insbesondere können die hierin beschriebenen adaptiven geschlossenen Regelungstechniken Drehzahlschwankungen der Walze 10 dynamisch erfassen und reduzieren, selbst wenn sich die Drehzahlschwankungen in Amplitude, Frequenz und Phase während der Drehung eventuell ändern. Das System 2 kann in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich einer Herstellungsumgebung mit kontinuierlicher Zufuhr zum Produzieren von Papier, Folie, Band und dergleichen. Obwohl sie zu Beispielzwecken in Bezug auf die Walze 10 veranschaulicht ist, ist die Erfindung nicht darauf begrenzt. Die Prinzipien der Erfindung lassen sich auf einen adaptiven geschlossenen Regelkreis für jede drehbare mechanische Komponente anwenden, wie beispielsweise eine Walze, ein Gießrad, eine Riemenscheibe, ein Zahnrad, ein Zugrad, einen Extruder, eine Zahnradpumpe und dergleichen.
Die Steuereinrichtung 4 gibt ein Motor-Steuersignal 20 aus, um den Motor 6 und die Antriebswalze 10 anzustellen, die eine Präzisions-Bahnbearbeitungswalze in einer Herstellungsumgebung sein kann. Insbesondere in Reaktion auf das Motor-Steuersignal 20 treibt der Motor 6 eine Welle 18 an, die mechanisch über eine Kupplung 15 an das Getriebegehäuse 8 gekoppelt ist. Das Getriebegehäuse 8 treibt wiederum eine Welle 17 an, die mechanisch über eine Kupplung 14 mit der Walze 10 gekoppelt ist. Das Getriebegehäuse 8 kann eine Anzahl von Zahnrädern umfassen, beispielsweise zwanzig oder mehr, um eine geeignete Getriebeübersetzung zum Anstellen der Walze 10 bereitzustellen.
Die Steuereinrichtung 4 empfängt ein Motor-Drehzahl signal 22, das für die Winkelgeschwindigkeit der Welle 18 Indikativ ist, d.h. die aktuelle Betriebsdrehzahl des Motors 6. Außerdem empfängt die Steuereinrichtung 4 von einem Sensor 12 ein Walzen- Drehzahlsignal 26, das die Winkelgeschwindigkeit der Walze 10 darstellt. Der Sensor 12 kann zum Beispiel einen Sinus-Impulsgeber umfassen, der auf einer Welle 13 der Walze 10 angebracht ist, und kann ein positionscodiertes Walzen-Drehzahlsignal ausgeben. Die Steuereinrichtung 4 empfängt auch ein Motor-Referenzsignal 24, das einen Soll-Referenzwert für den Antriebsmotor 6 bereitstellt. Eine Prozess-Steuereinheit oder eine andere Vorrichtung können zum Beispiel das Motor-Referenzsignal 24 gemäß einem Herstellungsmodell bereitstellen. Das Motor-Referenzsignal 24 kann ein Motor-Drehzahlreferenzsignal, ein Motor-Drehmomentreferenzsignal und ein Motor-Positionsreferenzsignal oder dergleichen umfassen.
Basierend auf dem Walzen-Drehzahlsignal 26, dem Motor-Drehzahlsignal 22 und einem Motor-Referenzsignal 24 wendet die Steuereinrichtung 4 die geschlossene Regelung des Motors 6 an, um Auswirkungen von Drehzahlschwankungen der Walze 10 entgegenzuwirken. Insbesondere erfasst und reduziert die Steuereinrichtung 4 Drehzahlschwankungen der Walze 10, die auftreten, wenn sich die Walze 10 in Reaktion auf den Motor 6 dreht, selbst wenn sich die Drehzahlschwankungen in Amplitude, Frequenz und Phase während der Drehung eventuell ändern. Diese Drehzahlschwankungen können durch eine Reihe von Komponenten des Systems 2 verursacht werden, einschließlich Getriebegehäuse 8, Kupplungen 14, 15 und andere (nicht gezeigte) Komponenten des Systems 2, wie beispielsweise Gleitlager, Verzahnungsdrehmoment, Verstärkungsfaktor-Versatz von Sensoren und andere Unregelmäßigkeiten im System, die oft eine Motor-Feinsteuerung beeinträchtigen.
Wie im Folgenden ausführlich beschrieben, fragt die Steuereinrichtung 4 das Walzen-Drehzahlsignal 26 kontinuierlich ab und generiert eine Gruppe von Datenelementen, die Drehzahlschwankungen der Walze 10 zu einer Winkelposition in Bezug bringen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 4 die Gruppe von Datenelementen als eine Nachschlagetabelle speichern, in der die Datenelemente Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für eine Vielzahl von Winkelpositionen der Walze 10 speichern. Die Steuereinrichtung 4 hält die Gruppe, damit sie ausreichende Datenelemente umfasst, um eine oder mehrere Umdrehungen der Walze 10 zu umspannen. Indem die Anzahl der Datenelemente so erhöht wird, dass sie mehr als eine Umdrehung der Walze 10 umspannen, ist die Steuereinrichtung 4 in der Lage, die Auswirkungen von Drehzahlschwankungen mit niedrigerer Frequenz, d.h. Drehzahlschwankungen, die eine Periode von mehr als einer Umdrehung aufweisen, zu reduzieren.
Die Gruppe von Datenelementen bringt Drehzahlschwankungen der Walze 10 zu den Winkelpositionen der Walze 10 in Bezug. Zum Beispiel kann die Gruppe von Datenelementen Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für die Walze 10 an jeder der Winkelpositionen umfassen. Dementsprechend kann die Nachschlagetabelle N·M Datenelemente umfassen, wobei die N·M Datenelemente Winkelgeschwindigkeitsdaten für N Winkelpositionen über M Umdrehungen der Walze 10 speichert. Die Steuereinrichtung 4 hält die Gruppe von Datenelementen in einem (nicht gezeigten) Speichermedium, wie beispielsweise einem nichtflüchtigen Direktzugriffsspeicher (NVRAM), einem FLASH-Speicher oder dergleichen. Alternativ kann die Steuereinrichtung 4 das Walzen-Drehzahlsignal in Frequenzkomponenten zerlegen und destruktive Frequenzen identifizieren. In der Ausführungsform kann die Gruppe von Datenelementen Frequenz-, Amplituden- und Phasendaten für die identifizierten Komponenten umfassen.
Die Steuereinrichtung 4 fragt kontinuierlich das Walzen-Drehzahlsignal 26 ab, berechnet die Gruppe von Datenelementen neu und korrigiert das Motor-Steuersignal 20 auf Basis der Gruppe von Datenelementen. Auf diese Weise stellt die Steuereinrichtung 4 einen adaptiven geschlossenen Regelkreis des Motors 6 bereit, um sich wiederholende Drehzahlschwankungen in der Walze 10 zu reduzieren oder zu eliminieren.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Übersicht über den Betrieb der Steuereinrichtung 4 auf einer hohen Ebene veranschaulicht. Die Steuereinrichtung 4 stellt den Motor 6 in Echtzeit an die Antriebswalze 10 an und empfängt das Walzen-Drehzahlsignal 26, das eine Messung der Winkelgeschwindigkeit der Walze 10 (30) enthält. Die Steuereinrichtung 4 verarbeitet das Walzen-Drehzahlsignal 26 und aktualisiert die Gruppe von Datenelementen, um Drehzahlschwankungen der Walze 10 mit einer Winkelposition (32) in Bezug zu bringen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 4 kontinuierlich das Walzen-Drehzahlsignal 26 abfragen und diskrete Geschwindigkeits-Fehlerdaten für jede der Winkelpositionen berechnen. Alternativ kann die Steuereinrichtung 4 das Walzen-Drehzahlsignal in Frequenzkomponenten zerlegen und die Frequenzinformationen in der Gruppe von Datenelementen speichern.
Als Nächstes generiert die Steuereinrichtung 4 ein Fehlersignal auf Basis der Datenelemente und eines Motor-Referenzsignals, wie beispielsweise eine Motor-Drehzahlreferenz, Motor-Drehmomentreferenz oder Motor-Positionsreferenz (34). Die Steuereinrichtung 4 korrigiert das Motor-Steuersignal 20 auf Basis des Fehlersignals (36). Auf diese Weise stellt die Steuereinrichtung 4 einen adaptiven geschlossenen Regelkreis des Motors 6 bereit, um sich wiederholende Drehzahlschwankungen in der Walze 10 zu reduzieren oder zu eliminieren.
3 ist ein Blockschaltbild, das eine Abbildung von N Winkelpositionen (P₁ – P_N) auf die Walze 10 veran schaulicht, um eine vollständige Umdrehung zu umspannen. Die maximale Anzahl von Positionen pro Umdrehung ist typischerweise eine Funktion der Winkelgeschwindigkeit der Walze 10 und der Verarbeitungsgeschwindigkeit der Steuereinrichtung 4 wie folgt:
wobei P_MAX die maximale Anzahl von Positionen ist, T_R die Zeit pro Umdrehung der Walze 10 ist und T_c die Zeitabfrage der Steuereinrichtung 4 ist. Wenn angenommen für eine Umdrehung der Walze 10 die Zeit beispielsweise 10,00 Sekunden und eine Abfragezeit für die Steuereinrichtung 6,5 ms beträgt, wäre die maximale Anzahl von Positionen 769,23. Dementsprechend könnte N auf 720 eingestellt werden, was weniger als die maximalen Positionen von 769,23 ist, um für jeden halben Grad der Walze 10 bequem eine Position zuzuordnen. Dementsprechend kann die Steuereinrichtung 4 eine Nachschlagetabelle mit 1440 Datenelementen halten, um zwei Umdrehungen der Walze 10 zu umspannen. In anderen Ausführungsformen kann eine viel größere Nachschlagetabelle implementiert werden, um Datenelemente für eine Anzahl von Umdrehungen zu speichern, um die Quantifizierung von Drehzahlschwankungen mit niedrigerer Frequenz zu verbessern, d.h. Drehzahlschwankungen, die eine Periode von mehr als einer Umdrehung aufweisen.
4A ist eine grafische Darstellung 40, die einen beispielhaften Geschwindigkeitsfehler der Walze 10 veranschaulicht, wenn die Steuereinrichtung 4 nicht angestellt ist, um Drehzahlschwankungen zu reduzieren. Insbesondere zeigt die grafische Darstellung 40 den Geschwindigkeitsfehler der Walze 10 im Vergleich zur Zeit über eine Umdrehung der Walze 10. 4B ist eine grafische Darstellung 44, die einen beispielhaften Geschwindigkeitsfehler der Walze 10 im Frequenzbereich veranschaulicht, wenn die Steuereinrichtung 4 nicht angestellt ist, um Drehzahlschwankungen zu reduzieren. Insbesondere hebt die grafische Darstellung 44 zwei beispielhafte destruktive Frequenzen 46, 48 hervor, die in dem Geschwindigkeitsfehler der Walze 10 vorhanden sind. Diese Frequenzen können durch eine oder mehrere von einer Reihe von Komponenten des Systems 2 verursacht werden, einschließlich Getriebegehäuse 8, Kupplungen 14, 15 und anderen (nicht gezeigten) Komponenten des Systems 2. Die grafische Darstellung 44 veranschaulicht des Weiteren eine nicht-destruktive Frequenz 47, die durch die Drehzahl-Messvorrichtung verursacht werden kann, wie beispielsweise den Sensor 12.
4C ist eine grafische Darstellung 50, die in weiterem Detail eine der destruktiven Frequenzen 46, 48 im Zeitverlauf über eine Umdrehung der Walze 10 veranschaulicht. Insbesondere veranschaulicht die grafische Darstellung 50 eine beispielhafte Belastung des Getriebegehäuses 8 auf dem Motor 6, welche die Form eines Sinuswellenmusters zwischen einer Vorwärtslast und einer Umkehrlast annimmt. Zum Beispiel können Spiel, Wellentorsion und Kupplungstorsion eine Phasenverschiebung zwischen Walze 10 und Motor 6 verursachen.
4D ist eine grafische Darstellung 52, die einen beispielhaften Geschwindigkeitsfehler der Walze 10 im Frequenzbereich veranschaulicht, wenn die Steuereinrichtung 4 angestellt ist, um Drehzahlschwankungen adaptiv zu reduzieren. Insbesondere veranschaulicht die grafische Darstellung 52, wie die Steuereinrichtung 4 die zwei beispielhaften destruktiven Frequenzen 46, 48 reduzieren kann. Die Reduzierung von Drehzahlschwankungen, einschließlich einer mehr als zehn- bis fünfzehnfachen Reduzierung von Drehzahlschwankungen, ist in der Praxis erreicht worden. Des Weiteren veranschaulicht die grafische Darstellung 52, dass die Steuereinrichtung 4 so konfiguriert werden kann, dass sie nicht-destruktive Frequenzen, wie beispielsweise die nicht-destruktive Frequenz 47, ignoriert. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 4 problemlos so konfiguriert werden, dass sie das Walzen-Drehzahlsignal in Frequenzkomponenten zerlegt und die identifizierten Komponenten selektiv ausgleicht.
5A ist ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Ausführungsform der Steuereinrichtung 4 in weiterem Detail veranschaulicht. Die Steuereinrichtung 4 umfasst einen geschlossenen Regelkreis 60 zum Ausgeben des Motor-Steuersignals 20 auf Basis des Motor-Referenzsignals 24 und Fehlersignals 64. Zum Generieren des Fehlersignals 64 empfängt die Steuereinrichtung 4 das Walzen-Drehzahlsignal 26 vom Sensor 12 und verarbeitet es.
Zuerst verstärkt die Vorverarbeitungseinheit 66 das Walzen-Drehzahlsignal 26 und wandelt das Signal von Sinuslinien in Linienimpulse um. Außerdem generiert die Vorverarbeitungseinheit 66 eine hochauflösende Impulszählung, wie beispielsweise 3.600.000 Impulse pro Umdrehung auf Basis der Linienimpulse des Walzen-Drehzahlsignals 26. Die Vorverarbeitungseinheit 66 kann auch einen Filter einsetzen, wie beispielsweise einen Tiefpassfilter, um Rauschen aus dem Walzen-Drehzahlsignal 26 zu entfernen.
Basierend auf der Impulszählung berechnet ein Prozessor 67 eine aktuelle Winkelgeschwindigkeit der Walze 10 und generiert eine Gruppe von Datenelementen 62, die einen Geschwindigkeitsfehler der Walze 10 mit einer Winkelposition in Bezug bringt. Zum Beispiel kann der Prozessor 67 die Winkelgeschwindigkeit vom Motor-Referenzsignal 24 subtrahieren, um eine Geschwindigkeitsdifferenz 63 zu bestimmen. Alternativ kann der Prozessor 67 ein Drehmomentreferenzsignal, ein Positionsreferenzsignal und dergleichen verwenden. Auf Basis der berechneten Differenz 63 aktualisiert der Prozessor 67 kontinuierlich die Gruppe von Datenelementen 62. Der Prozessor 67 kann die Gruppe von Datenelementen 62 als eine Nachschlagetabelle speichern, in der die Datenelemente Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für eine Vielzahl von Winkelpositionen der Walze 10 speichern. Der Prozessor 67 kann die Gruppe von Datenelementen außerdem in einem Speichermedium speichern, wie beispielsweise einem nichtflüchtigen Direktzugriffsspeicher (NVRAM), einem FLASH-Speicher oder dergleichen. Das Speichermedium kann in Bezug auf den Prozessor intern oder extern sein. Der Prozessor 67 kann einen eingebetteten Mikroprozessor, einen herkömmlichen Mikroprozessor, einen Digitalsignalprozessor (DSP), dedizierte Rechner-Hardware und dergleichen umfassen.
Um Auswirkungen von Drehzahlschwankungen der Walze 10 entgegenzuwirken, generiert der Prozessor 67 ein Fehlersignal 64 auf Basis des Motor-Drehzahlsignals 22 und der Datenelemente 62. Insbesondere generiert ein Prozessor 67 ein Signal 65 aus den Datenelementen 62, um den Geschwindigkeitsfehler als eine Funktion der Winkelposition der Walze 10 darzustellen, und subtrahiert das Signal 65 vom Motor-Drehzahlsignal 22. Der Prozessor 67 leitet das Fehlersignal 64 in den geschlossenen Regelkreis 60 ein, um das Motor-Steuersignal 20 zu korrigieren. Auf diese Weise kann der geschlossene Regelkreis 60 jeder herkömmliche geschlossene Regelungsmechanismus zum Steuern des Motors 6 sein.
Alternativ kann die Vorverarbeitungseinheit 66 das Walzen-Drehzahlsignal in Frequenzkomponenten zerlegen, und destruktive Frequenzen identifizieren. Die Vorverarbeitungseinheit 66 kann zum Beispiel eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) am Walzen-Drehzahlsignal 26 durchführen, um die Frequenzkomponenten der Winkelgeschwindigkeit zu identifizieren. In diesem Fall kann der Prozessor 67 die Gruppe von Datenelementen 62 generieren, die Frequenz-, Amplituden und Phasen-Daten für die identifizierten Komponenten umfassen. In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung die Verwendung sowohl von Frequenzkomponenten als auch von Zeitkomponenten kombinieren, um die mit der mechanischen Komponente verbundene Veränderlichkeit aufzulösen.
Die Anordnung der Steuereinrichtung 4 kann unterschiedlich sein. Insbesondere können das Signal 65, das Fehlersignal 64 und die Addierer 61, 68 umgruppiert oder eliminiert werden. 5B-5D sind Blockschaltbilder, die eine Reihe von beispielhaften Ausführungsformen für die Steuereinrichtung 4 veranschaulichen. Hinsichtlich 5A 5D kann ein Fachmann dieses Gebiets auch andere Konfigurationen erkennen.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das einen beispielhaften Betriebsmodus des Prozessors 67 veranschaulicht, wenn Datenelemente 62 generiert werden. Zuerst, wie beispielsweise während der ersten Umdrehung der Walze 10 für einen bestimmten Sollwert, empfängt der Prozessor 67 die Impulszählung von der Vorverarbeitungseinheit 66 und initialisiert die Datenelemente 62 mit dem Geschwindigkeitsfehler als einer Funktion der Winkelposition (70). Zum Beispiel kann der Prozessor 67 die an jedem Winkel gemessene Winkelgeschwindigkeit vom Motor-Referenzsignal 24 subtrahieren.
Nach dem Initialisieren der Datenelemente 62 (70) aktualisiert der Prozessor 67 jedes der Datenelemente 62. Insbesondere berechnet der Prozessor 67 für jede Winkelposition eine durchschnittliche Geschwindigkeit des Walze 10 (72) und berechnet einen Winkelgeschwindigkeitsfehler für die aktuelle Winkelposition (74), wie beispielsweise durch Subtrahieren der durchschnittlichen Winkelgeschwindigkeit von einer Referenzgeschwindigkeit. Der Prozessor 67 kann zum Beispiel eine durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit für die aktuelle Winkelposition auf Basis der gemessenen Win kelgeschwindigkeiten für die aktuelle Winkelposition und der Anzahl von vorhergehenden Winkelpositionen berechnen. Auf Basis der aktuellen Winkelposition aktualisiert der Prozessor 67 eines der Datenelemente 62 als eine Funktion des berechneten Geschwindigkeitsfehlers (76). Zum Beispiel kann der Prozessor 67 für eine aktuelle Winkelposition P und eine aktuelle Umdrehung R die Datenelemente 62 wie folgt aktualisieren: DATA[P·R – 1] = DATA[P·R – 1] + (VREF – VAVG)·C
0 < P < N, 0 < R < M
wobei DATA die Datenelemente 62 darstellt, die linear als eine Nachschlagetabelle mit M·N Datenelementen gespeichert sind, V_REF das Motor-Referenzsignal 24 darstellt und V_AVG die berechnete durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit darstellt, und C eine Konstante darstellt. Die Konstante C kann als digitaler Tiefpassfilter eingesetzt werden, um die Auswirkungen von Rauschen zu reduzieren, und kann einen typischen Wert von 0,5 aufweisen.
7 ist ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Gruppe von Datenelementen 90 veranschaulicht. Insbesondere enthalten die Datenelemente 90 M·N Datenelemente. Jedes Element entspricht einer Winkelposition und einer Umdrehung der Walze 10. In der veranschaulichten Ausführungsform speichert jedes Element Geschwindigkeitsfehlerdaten, die als Winkelgeschwindigkeitsfehler, linearer Geschwindigkeitsfehler unter Berücksichtigung des Walzendurchmessers 10, als Prozentsatzfehler und dergleichen gespeichert werden könnten. Das Element P1 gibt zum Beispiel einen linearen Geschwindigkeitsfehler von +1,2004 Fuß pro Minute (FPM) an
8 ist ein Blockschaltbild, das eine weitere beispielhafte Gruppe von Datenelementen 92 veranschaulicht. Insbesondere bringt die Gruppe von Datenelementen 92 den Gschwindigkeitsfehler in Bezug zu der Position, indem Daten gespeichert werden, die destruktive Frequenzen in dem Walzen-Drehzahlsignal 26 beschreiben. Wie oben beschrieben, kann die Steuereinrichtung 4 das Walzen-Drehzahlsignal in Frequenzkomponenten zerlegen. In diesem Betriebsmodus hält jedes der Datenelemente in der Gruppe 92 Daten, die eine eindeutige destruktive Frequenz beschreiben, wie beispielsweise die Frequenz, Amplitude und Phase in Bezug auf die Position der Walze 10.
Obwohl sie in Bezug auf den geschlossenen Regelkreis einer drehbaren mechanischen Komponente beschrieben worden sind, können die Techniken problemlos auf einen adaptiven, geschlossenen Regelkreis einer mechanischen Komponente angewendet werden, die wiederholt betätigt werden kann, um einen linearen oder nicht-linearen Pfad zu durchqueren. Insbesondere kann die Steuereinrichtung eine Gruppe von Datenelementen generieren, um Schwankungen in der linearen Geschwindigkeit der mechanischen Komponente mit Positionen entlang des Pfads in Bezug zu bringen.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind beschrieben worden. Diese Ausführungsformen liegen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche.

Claims

Verfahren, aufweisend: Empfangen eines Drehzahlsignals (26), das die Winkelgeschwindigkeit einer drehbaren mechanischen Komponente darstellt; Generieren einer Gruppe von Datenelementen (62) aus dem Drehzahlsignal (26), wobei die Gruppe von Datenelementen (62) Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für mehrere Winkelpositionen der mechanischen Komponente aufweist; Generieren eines Fehlersignals (34) basierend auf der Gruppe von Datenelementen (62); und Einstellen eines Motorsteuersignals (36) basierend auf dem Fehlersignal (64), um in einem geschlossenen Regelkreis die Drehung der mechanischen Komponente zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren eines Fehlersignals (34) das Kombinieren des Motor-Drehzahlsignals (26) mit den Datenelementen (62) aufweist, um das Fehlersignal (64) zu erzeugen, das einen Winkelgeschwindigkeitsfehler als eine Funktion der Winkelposition der mechanischen Komponente darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren einer Gruppe von Datenelementen das Speichern der Gruppe von Datenelementen (62) als eine Nachschlagetabelle aufweist, wobei die Datenelemente der Nachschlagetabelle Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für die Winkelpositionen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Nachschlagetabelle N·M Datenelemente aufweist, wobei die N·M Datenelemente Winkelgeschwindigkeitsdaten für N Winkelpositionen über M Umdrehungen der mechanischen Komponente speichern.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend das Ausgeben des Motorsteuersignals (20) von einer Steuereinrichtung (4), um einen Motor (6) zu schalten.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Einstellen des Motorsteuersignals (36) das Einspeisen des Fehlersignals (64) in eine geschlossene Regelkreisschaltung (60) der Steuereinrichtung (4) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen des Motor-Steuersignals (36) das Addieren des Fehlersignals (64) zu einem Motor-Referenzsignal (24) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Motor-Referenzsignal (24) eines von einem Motor-Drehzahlreferenzsignal, einem Motor-Drehmomentreferenzsignal und einem Motor-Positionsreferenzsignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen des Motor-Steuersignals (36) das Invertieren des Fehlersignals (64) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend das Definieren der mehreren Winkelpositionen, um eine Umdrehung der mechanischen Komponente zu umspannen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren der Datenelemente aufweist: Zerlegen des Drehzahlsignals (26) in Frequenzkomponenten; und Generieren der Datenelemente, um die Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten in einer Form darzustellen, die mindestens eine der Frequenzkomponenten spezifiziert.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Datenelemente Amplituden und Phasen der Frequenzkomponenten darstellen.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend das Generieren des Fehlersignals (64), um die Frequenzkomponenten zu enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend das Aktualisieren jedes der Datenelemente durch: (a) Messen einer Winkelgeschwindigkeit der mechanischen Komponente für eine untergeordnete Gruppe der Winkelpositionen; (b) Berechnen einer Durchschnittsgeschwindigkeit der mechanischen Komponente über die untergeordnete Gruppe von Winkelpositionen (72); (c) Subtrahieren der Durchschnitts-Winkelgeschwindigkeit von einer Referenz-Winkelgeschwindigkeit, um einen Winkelgeschwindigkeitsfehler (74) zu erzeugen; (d) Speichern des Winkelgeschwindigkeitsfehlers in der Gruppe von Datenelementen basierend auf der gegenwärtigen Winkelposition der mechanischen Komponente (76); und (e) Wiederholen von (a) bis (d) für jede der Winkelpositionen der mechanischen Komponente.
Medium, aufweisend Anweisungen, um einen Prozessor (67) zu Folgendem zu veranlassen: Empfangen eines Drehzahlsignals (26), das Winkelgeschwindigkeit einer drehbaren mechanischen Komponente als eine Winkelpositions-Funktion darstellt; Generieren einer Gruppe von Datenelementen (62) aus dem Drehzahlsignal (26), wobei die Gruppe von Datenelementen (62) Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten an jeder der mehreren Winkelpositionen der mechanischen Komponente aufweist; Generieren eines Fehlersignals (64) basierend auf der Gruppe von Datenelementen (62); und Einstellen eines Motorsteuersignals (20) basierend auf dem Fehlersignal (64), um in einem geschlossenen Regelkreis die Drehung der mechanischen Komponente zu steuern.
Medium nach Anspruch 15, ferner aufweisend Anweisungen, um den Prozessor (67) zu veranlassen, das Motor-Drehzahlsignal (22) mit den Datenelementen (62) zu kombinieren, um das Fehlersignal zu erzeugen, das einen Winkelgeschwindigkeitsfehler als eine Funktion der Winkelposition der drehbaren mechanischen Komponente darstellt.
Medium nach Anspruch 15, ferner aufweisend Anweisungen, um den Prozessor (67) zu veranlassen, das Motor-Steuersignal (20) basierend auf einem Motor-Referenzsignal (24) und dem Fehlersignal (64) auszugeben.
Medium nach Anspruch 15, ferner aufweisend Anweisungen, um den Prozessor (67) zu veranlassen, das Drehzahlsignal (22, 26) in Frequenzkomponenten zu zerlegen und die Datenelemente (62) zu generieren, um die Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten in einer Form darzustellen, die mindestens eine der Frequenzkomponenten spezifiziert.
System (2), aufweisend: einen Motor (6), der betriebsfähig ist, eine drehbare mechanische Komponente in Reaktion auf ein Motor-Steuersignal (20) anzutreiben; einen Sensor (12), um ein Drehzahlsignal (26) zu generieren, das Winkelgeschwindigkeit der mechanischen Komponente darstellt; und eine geschlossene Regeleinrichtung, um eine Gruppe von Datenelementen (62) basierend auf dem Drehzahlsignal (26) zu generieren, wobei die Gruppe von Datenelementen (62) Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für die mechanische Komponente an jeder mehrerer Winkelpositionen aufweist, und ferner wobei die Steuereinrichtung (4) ein Fehlersignal (64) basierend auf der Gruppe von Datenelementen (62) generiert und das Motor-Steuersignal (20) basierend auf dem Fehlersignal (64) einstellt.
System nach Anspruch 19, wobei der Sensor (12) ein positionsverschlüsseltes Drehzahlsignal (26) ausgibt.
System nach Anspruch 19, wobei die Steuereinrichtung (4) das Fehlersignal (64) basierend auf dem Drehzahlsignal (26) und einem Motor-Drehzahlreferenzsignal (24) generiert, und ferner wobei die Steuereinrichtung (4) das Fehlersignal (64) in digitale Werte umwandelt und die digitalen Werte auf einem Medium als die Gruppe von Datenwerten speichert.
System nach Anspruch 19, wobei der Sensor (12) auf einer Welle (13) der mechanischen Komponente befestigt ist.
System nach Anspruch 19, wobei die Steuereinrichtung (4) die Gruppe von Datenelementen in einem Speichermedium als eine Nachschlagetabelle speichert, wobei die Datenelemente der Nachschlagetabelle Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten für die Winkelpositionen aufweisen.
System nach Anspruch 23, wobei die Nachschlagetabelle N·M Datenelemente aufweist, wobei die N·M Datenelemente Winkelgeschwindigkeitsdaten für N Winkelpositionen über M Umdrehungen der mechanischen Komponente speichern.
System nach Anspruch 19, wobei die mehreren Winkelpositionen eine Umdrehung der mechanischen Komponente umspannen.
System nach Anspruch 19, wobei die Steuereinrichtung (4) eine geschlossene Regelkreisschaltung (60) aufweist, um das Motor-Steuersignal (20) basierend auf dem Fehlersignal (64) und einem Motor-Referenzsignal (24) auszugeben.
System nach Anspruch 26, wobei das Motor-Referenzsignal (24) eines von einem Motor-Drehzahlreferenzsignal, einem Motor-Drehmomentreferenzsignal und einem Motor-Positionsreferenzsignal aufweist.
System nach Anspruch 19, wobei die Steuereinrichtung das Drehzahlsignal in Frequenzkomponenten zerlegt.
System nach Anspruch 28, wobei die Datenelemente Amplituden und Phasen der Frequenzkomponenten darstellen.
System nach Anspruch 28, wobei die Steuereinrichtung (4) ein Fehlersignal (64) generiert, um die Frequenzkomponenten zu enthalten, und das Fehlersignal (64) als Rückkopplung in die geschlossene Regelkreisschaltung (60) einspeist, um das Motor-Steuersignal (20) einzustellen.
System nach Anspruch 19, wobei die Steuereinrichtung (4) die Datenelemente aktualisiert durch: (a) Messen einer Winkelgeschwindigkeit der mechanischen Komponente für eine untergeordnete Gruppe der Winkelpositionen; (b) Berechnen einer Durchschnittsgeschwindigkeit der mechanischen Komponente über die untergeordnete Gruppe von Winkelpositionen; (c) Subtrahieren der Durchschnitts-Winkelgeschwindigkeit von einer Referenz-Winkelgeschwindigkeit, um einen Winkelgeschwindigkeitsfehler zu erzeugen; (d) Speichern des Winkelgeschwindigkeitsfehlers in der Gruppe von Datenelementen basierend auf einer gegenwärtigen Winkelposition der mechanischen Komponente; und (e) Wiederholen von (a) bis (d) für jede der Winkelpositionen der mechanischen Komponente.
System nach Anspruch 19, wobei die mechanische Komponente eines von einer Walze (10), einem Gießrad, einer Scheibe, einem Zahnrad, einer Zugwalze, einem Extruder und einer Zahnradpumpe aufweist.
System, aufweisend: einen Motor, der betriebsfähig ist, eine mechanische Komponente entlang eines Pfads in Reaktion auf ein Motor-Steuersignal (20) anzutreiben; einen Sensor (12), um ein Drehzahlsignal (26) zu generieren, das eine lineare Geschwindigkeit der mechanischen Komponente darstellt; und eine geschlossene Regelkreis-Steuereinrichtung, um eine Gruppe von Datenelementen (62) basierend auf dem Drehzahlsignal (26) zu generieren, wobei die Gruppe von Datenelementen (62) lineare Geschwindigkeits-Fehlerdaten für die mechanische Komponente an jeder der mehreren Winkelpositionen aufweist, und ferner, wobei die Steuereinrichtung ein Fehlersignal (64) basierend auf der Gruppe von Datenelementen (62) generiert und das Motor-Steuersignal (20) basierend auf dem Fehlersignal (64) adaptiv einstellt.
System nach Anspruch 33, wobei der Sensor (12) ein positionsverschlüsseltes Drehzahlsignal ausgibt.
System nach Anspruch 33, wobei die Steuereinrichtung das Fehlersignal (64) basierend auf dem Drehzahlsignal und einem Motor-Drehzahlreferenzsignal generiert, und ferner wobei die Steuereinrichtung das Fehlersignal (64) in digitale Werte umwandelt und die digitalen Werte auf einem Medium als die Gruppe von Datenwerten speichert.
System nach Anspruch 34, wobei die Steuereinrichtung (4) die Gruppe von Datenelementen (62) in einem Speichermedium als eine Nachschlagetabelle mit N·M Datenelementen speichert, wobei die N·M Datenelemente Geschwindigkeitsdaten für N Positionen über M lineare Betätigungen der mechanischen Komponente speichern.
System nach Anspruch 33, wobei die mehreren Positionen eine lineare Betätigung der mechanischen Komponente umspannen.
System nach Anspruch 33, wobei die Steuereinrichtung (4) eine geschlossene Regelkreisschaltung (60) aufweist, um das Motor-Steuersignal (20) basierend auf dem Fehlersignal (64) und einem Motor-Referenzsignal (24) auszugeben.
System nach Anspruch 38, wobei das Motor-Referenzsignal (24) eines von einem Motor-Drehzahlreferenzsignal, einem Motor-Drehmomentreferenzsignal und einem Motor-Positionsreferenzsignal aufweist.
System nach Anspruch 33, wobei die Steuereinrichtung (4) das Drehzahlsignal in Frequenzkomponenten zerlegt und die Datenelemente generiert, um die Winkelgeschwindigkeits-Fehlerdaten in einer Form darzustellen, die mindestens eine der Frequenzkomponenten spezifiziert.
System nach Anspruch 40, wobei die Datenelemente Amplituden und Phasen der Frequenzkomponenten darstellen.
System nach Anspruch 40, wobei die Steuereinrichtung (4) das Fehlersignal (64) generiert, um die Frequenzkomponenten zu enthalten, und das Fehlersignal (64) als Rückkopplung in die geschlossene Regelkreisschaltung (60) einspeist, um das Motor-Steuersignal (20) einzustellen.