JP2010502169A - 方法および装置 - Google Patents

Abstract

軸の駆動装置がエネルギー交換のために、特に駆動装置にそれぞれ含まれるコンバータの中間回路を接続することによって連結されている、複数の軸の運動を制御するための方法において、
運動を開始する前に、運動の経過の予測決定が行われ、その際
先ず最初に時間的に重要な軸が決定され、
そして時間的に重要な軸の動作プロファイルが決定され、
そして他の軸の動作プロフィルに、その都度の全エネルギー消費が割り当てられ、
この動作プロファイルのうちで、必要な全エネルギー量の最も少ないプロファイルが選出され、
そして運動が実施されることを特徴とする方法。
【選択図】図１

Description

本発明は方法および装置に関する。

電気的な駆動装置はコンバータから給電される電動機を備え、この電動機は負荷を直接駆動するかまたは伝動装置を介して駆動する。

特許文献１により棚倉庫システムが知られている。この場合、関連電流消費値または電流出力値を有する予め個々に定めた若干の運動プロファイルが用意されている。その際、エネルギー供給回路に戻されるエネルギーが決定される（特許文献１の請求項１５）。

特許文献２によって、２個の非同期電動機の運転開始と運転停止に影響を与えるための方法が知られている。

国際公開第２００５／１１７２４８ Ａ１号 独国特許出願公開第３３０９３７０ Ａ１号

本発明の目的は、設備をできるだけコンパクトにかつ低コストで製作できるようにし、その際エネルギーを節約することである。

本発明によれば、この課題は、装置の場合には請求項６記載の特徴によって、そして方法の場合には請求項１記載の特徴によって解決される。

軸の駆動装置がエネルギー交換のために、特に駆動装置にそれぞれ含まれるコンバータの中間回路を接続することによって連結されている、複数の軸の運動を制御するための方法における重要な特徴は、
運動を開始する前に、運動の経過の予測決定が行われ、その際
先ず最初に時間的に重要な軸（タイムクリティカル軸）が決定され、
そして時間的に重要な軸の動作プロファイルが決定され、
そして他の軸の動作プロファイルに、その都度の全エネルギー消費が割り当てられ、
この動作プロファイルのうちで、必要な全エネルギー量の最も少ないプロファイルが選出され、
そして運動が実施されることである。
その際、運動を実施するために給電線を経て駆動装置を含む装置に供給されるエネルーが全エネルギーと見なされる。

特許文献１の請求項１５記載の従来技術の場合には、エネルギー供給回路に戻されるエネルギーが決定されるがしかし、棚倉庫システムの給電線を経て供給されるエネルギーまたは出力が決定されない。これに対して、本発明の場合には、供給される全エネルギーが決定され、そして最小値が決定される。

本発明の効果は、時間的に重要な軸の決定によって、運動を高速で実施可能であり、そして他の軸の従属的な動作経過によって、エネルギーの節約が可能である。それにもかかわらず、運動はゆっくりではなく、高速で実施可能である。この場合、運動は１本の軸だけなく、複数の軸で互いに依存して行うことができる。

有利な実施形では、エネルギー交換のために連結された駆動装置からエネルギー供給線を経て供給される運動のための必要なピーク電力が、できるだけ小さく、特に最小であるように、その都度他の軸の運動に関連する時間間隔と、その動作プロファイル、特にこの動作プロファイルに関連する加速度値および制動減速度値が決定される。すなわち、小さな電力を供給することが有利である。特に、運動を実施する間の最大供給電力、すなわちピーク電力はできるだけ小さい。これによって、本発明に従って運転される装置のための給電線として、細い心線、従って低コストのケーブルを使用することができる。それに伴い、全エネルギー消費が最少になるだけでなく、外部から装置に供給される全ピーク電力も小さくなる。これにより、細い導体横断面および相応して小さな寸法にすることができる電気部品または電子部品のような構造的な利点が生じる。これは例えば、単極性の中間回路電圧を生じるための整流ダイオードまたは高調波を減衰するためのラインリアクトルである。

本発明は、更に、それぞれの軸の速度に依存する摩擦損失が考慮される。特に、速度が低下したときに、摩擦損失が低減される。それによって、時間的に重要でない他の軸の速度を低下させると有利である。その際しかし、時間的に重要な軸の発電運転によるエネルギーが、他の軸によってできるだけ多く消費されるように、他の軸の電動運転が優先的に実施される。

その際、一方の軸の発電運転によって発生したエネルギーが他方の軸に供されると有利である。それによって、運動時の全エネルギー消費が低減される。

有利な実施形の場合、初期状態、特に初期位置から最終状態、特に最終位置への運動が定められている。その際、位置決め運動がエネルギーを節約するように短時間で実施可能である。

有利な実施形の場合、少なくとも時間的に重要な軸が制動される時間範囲、特に時間的に重要な軸の制動減速度を定める時間範囲が含まれるように、それぞれの他の軸の運動に関連する時間間隔が定められる。その際、他の軸が時間的に重要な軸から戻されるエネルギーをできるだけ消費する。それによって、必要なピーク電力が小さくなる。

有利な実施形の場合、時間的に重要な軸のための動作プロファイルが最高加速度と制動減速度によって決定される。その際、時間的に重要な軸によって、できるだけ高速運動が実施可能である。

有利な実施形の場合、少なくとも時間的に重要な軸が発電運転されるときに、他の軸が運転される。その際、発電によって生じた、時間的に重要な軸のエネルギーは、他の軸によって消費可能である。

更に、他の軸の発電運転の際に、この時間内に電動運転される時間的に重要な軸にエネルギーを供給することができる。

有利な実施形の場合、少なくとも時間的に重要な軸が発電運転される時間全体において他の軸が運転されるように、他の軸が許容最高速度よりも低下した速度で運転される。その際、速度の低下時に摩擦損失が低減され、それによってエネルギーが節約可能である。

装置における本発明の重要な特徴は、装置が軸を駆動する駆動装置を備え、この駆動装置がそれぞれ少なくとも１個の中間回路を含むコンバータを備え、
コンバータの中間回路がエネルギーを交換するために互いに接続され、
軸運動の予測決定手段を有する少なくとも１個のコンピュータが設けられ、特にコンピュータが更に、全エネルギーを最適化した軸の運動を決定するための手段を備えていることである。

その際、起こり得るエネルギー交換を予測および考慮することによって、必要時間を増やさずに、運動が省エネルギー的に実施可能である。

有利な実施形の場合、特に、運動時に互いに依存して駆動装置を予め計算および制御するために、装置がコンピュータ、特に軌道曲線を予め計算するための制御装置を備えている。装置の実施形の場合、軸運動を介してのフィードバックが不要である。その際、中央のＳＰＳではなく、計算能力の分散配置が可能である。なぜなら、軌道だけを互いに依存して制御しなければならないからである。勿論、上位の制御装置および／またはＳＰＳからの普通の命令は付加的に考慮することが可能である。

有利な実施形の場合、コンピュータと駆動装置をマスタースレーブ制御を実施するために設けてもよく、マスターとして時間的に重要な軸が、そしてスレーブとして他の軸が設けられている。その際、時間損失が発生しないという利点がある。なぜなら、スレーブがマスター駆動装置の関数として制御可能であるからである。

有利な実施形の場合、コンピュータがコンバータに統合して設けられている。その際、別個のコンピュータが不要であり、それに伴いハウジングを節約することができるという利点がある。

有利な実施形の場合、装置は、特に巻上げ機のための少なくとも１個の駆動装置と、巻上げ機を備えた主車両の運動のための他の駆動装置とを備えた棚操作装置である。その際、棚操作装置のエネルギー消費が低減され、それによって棚操作装置のエネルギー供給線を細い線として設計可能であるという利点がある。これにより、例えばトロリ線を利用できるかまたは主車両の非接触式エネルギー供給システムを使用することができる。この場合、エネルギー供給は誘導結合部を介してエネルギー供給が行われる。

他の利点は従属請求項から明らかである。

Ｘ軸が時間的に重要な軸である場合の、時間に対する速度を示す図である。 Ｚ軸が下降し、Ｘ軸が走行軸として形成されているケースを示す図である。 Ｚ軸が時間的に重要な軸であり、かつＸ軸が遅い速度で動作するケースを示す図である。 Ｚ軸が時間的に重要な軸として許容最大制動モーメントで制動されるケースを示す図である。

次に、図に基づいて本発明を詳しく説明する。

本発明は、特に相互に依存して動作可能である少なくとも２個の駆動装置を備えた機械または設備に有利に適用可能である。

例えば第１駆動装置が機械の第１軸を駆動し、第２駆動装置が第２軸を駆動するときに、初期状態（ｘ１，ｙ１）から最終状態（ｘ２，ｙ２）に移動させるという課題がしばしば存在する。この場合、ｘ１は第１軸の初期位置、ｘ２は第１軸の最終位置、そしてｙ１は第２軸の初期位置、ｙ２は第２軸の最終位置である。

軸は電気的な駆動装置に含まれる電動機によって駆動され、そして回転軸または直線運動軸として形成可能である。

各駆動装置には最高加速度が付与される。

駆動装置の一方は状態量に応じて時間的に重要な駆動装置である。これは、所属の軸が初期位置から最終位置に達するために必要とする時間が、機械の初期状態から最終状態までの時間を決定することを意味する。その際、最高加速度、速度および制動減速度が定められる。

これは図１に示してある。図１では速度が時間に対して記入されている。その際、軸ｘは時間的に重要な軸である。この軸は許容最高速度に到達するまで許容最高加速度でスタートする。制動のために、許容最高制動減速度が適用される。

他の軸はエネルギーを最適化するように作動する。これは、電力消費全体をできるだけ少なくするように、加速度と制動減速度が選定され、かつ加速度と制動減速度の時間間隔が選定される。これにより、ｘ軸の制動時に発電されて生じたエネルギーを、ｚ軸の動作のために利用することができる。

エネルギーを交換するために、駆動装置の中間回路が互いに接続されていると有利である。その際、それぞれの駆動装置の各コンバータは、コンバータに供給される電源電圧のから単極性電圧を発生するために整流器を備えている。単極性電圧は中間回路電圧であり、蓄電器に供給される。この中間回路電圧から出力段に給電される。この出力段はコンバータの電子制御装置によって制御可能な電子式電力開閉器を備えている。

本発明の場合には、第１のコンバータの中間回路は第２のコンバータの中間回路に接続され、エネルギーの交換が可能である。

図１から明らかなように、ｘ軸の制動時に中間回路に供給されるエネルギーは、ｚ軸を動かすために利用される。ｚ軸の動作距離がｘ軸の動作距離の半分よりも短いので、ｘ軸が半分の距離を超えた後で初めてｚ軸が始動させられる。

その際、ｚ軸の動作距離が非常に短いときには、ｚ軸の時間間隔をいろいろな長さにすることができ、電力消費を最も少なくするように選定可能である。その際、摩擦が考慮される。これはできるだけゆっくりした動作をもたらす。

エネルギー結合されたすべてのコンバータによって、動作過程のために消費される全エネルギーを最小限に抑えることが重要である。

軸ｘとｚは棚操作装置の走行軸と昇降軸であってもよい。この棚操作装置は車両全体のための走行駆動装置と、垂直搬送装置のための昇降駆動装置を備えている。

図２は昇降軸、ここではｚ軸が下降し、ｘ軸が走行軸として形成されているケースを示している。その際、Ｘ軸によって車両が走行させられる。すなわち、最初に加速され、そして最後に制動させられる。この場合、Ｘ軸が時間的に重要である。Ｘ軸の全走行時間の間、Ｚ軸ができるだけ下降させられると、エネルギー的に最適化された結果が達成される。

図３は、摩擦損失を低減するために、かつ特にＺ軸の制動時にＺ軸の発電エネルギーの少なくとも一部をＸ軸によって消費させるために、Ｚ軸が時間的に重要な軸であり、かつＸ軸が遅い速度で動作するケースを示している。その際、Ｘ軸は許容最高制動減速度よりも低い減速度で運転される。

図４は、Ｘ軸が小さな制動トルクによってゆっくり制動され、Ｚ軸が時間的に重要な軸として許容最大制動モーメントで制動されるケースを示している。その際、制動プロセスを開始する前に、Ｚ軸は、エネルギーをＸ軸からとる。というのは、Ｘ軸の制動過程が早く開始されるからである。

本発明の場合、先ず最初に時間的に重要な軸が決定され、そしてこの軸のためにできるだけ高速の動作方法が決定される。その後で、他の軸について動作プロファイル、特に速度プロファイルが決定される。この場合、その都度の動作プロファイルに組み込まれた全エネルギー消費の最小値が求められる。その際、摩擦損失出力も考慮される。

上記の方法は勿論、予測を必要とする。これは、運動を実施する前にコンピュータが上記の決定を先ず最初に行い、その後初めて運動をスタートさせることができることを意味する。

本発明の場合、中間回路の結合が駆動装置のコンバータ間のエネルギー交換を可能にする。それによって、発電機運転方式で運転される駆動装置で発生したエネルギーが、モータ作動の駆動装置に伝送可能である。中間回路から供給可能な制動抵抗によってエネルギーが消失することが回避される。

本発明に係る他の実施の形態では、他の軸についてすべての動作プロファイルとそれに関連する全体エネルギーが決定されないで、動作プロファイルがパラメータを有する。このパラメータの値範囲が決定される。すなわち、限界条件が決定される。例示的な限界条件として、他の軸の動作についての時間範囲、すなわち最高加速度等が挙げられる。その後で、複数の寸法パラメータ空間内で少なくとも局所的な最適条件を決定するために最適化法が適用される。最適化は主として全エネルギーに関して行われる。複数の解決策があるときには、最適化はできるだけ少なく供給すべきであるピーク電力を考慮して行われる。

本発明に係る他の実施の形態の場合、その都度の装置に合わせた他の動作プロファイルのための付加的な規則が入力される。従って、パラメータ空間が更に狭められ、最適化を簡単かつ迅速に行うことができる。特に局所的な最適条件だけでなく、絶対的な最適条件を見つけ出すことができる。

本発明に係る他の実施の形態の場合、給電モジュールがすべてのコンバータに中間回路電圧を供給するので、コンバータは電源電圧を整流するための整流器を必要としない。というのは、電源電圧を整流するためには給電モジュール内の整流器で充分であるからである。更に、給電モジュール内に制動抵抗および／または回路網給電−戻し給電ユニットを設けることができる。その代わりに、給電モジュールがマトリックスコンバータを装備可能であるので、整流器と戻し給電部を置換可能である。これにより、必要なパワー半導体が少なくなる。

コンバータは実質的にインバータとして形成および／または運転されるので、コンバータは、駆動装置の電動機に給電するための交流電圧を、単極性中間回路電圧から供給することができる。

装置として、特に複数軸で運転される棚操作装置、ロボット、取扱操作システムまたは互いに依存して運転可能な複数の軸を有する他の機械および設備を使用することができる。

１ 時間的に重要な軸ｘ
２ 他の軸ｚ

Claims (12)

1. 軸の駆動装置がエネルギー交換のために、特に駆動装置にそれぞれ含まれるコンバータの中間回路を接続することによって連結されている、複数の軸の運動を制御するための方法において、
   運動を開始する前に、運動の経過の予測決定が行われ、その際
   先ず最初に時間的に重要な軸が決定され、
   そして時間的に重要な軸の動作プロファイルが決定され、
   そして他の軸の動作プロファイルに、その都度の全エネルギー消費が割り当てられ、
   この動作プロファイルのうちで、必要な全エネルギー量の最も少ないプロファイルが選出され、
   そして運動が実施されることを特徴とする方法。
2. エネルギー交換のために連結された駆動装置からエネルギー供給導線を経て供給される運動のために必要なピーク出力が、できるだけ小さく、特に最小であるように、その都度他の軸の運動に関連する時間間隔と、その動作プロファイル、特にこの動作プロファイルに関連する加速度値および制動減速度値が決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 少なくとも、時間的に重要な軸が制動される時間範囲、特に時間的に重要な軸の制動減速度が定められる時間範囲が含まれるように、それぞれの他の軸の運動に関連する時間間隔が定められることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 初期状態、特に初期位置から最終状態、特に最終位置への運動が定められていることを特徴とする請求項１〜３の少なくとも一項に記載の方法。
5. 時間的に重要な軸のための動作プロファイルが最高加速度と制動減速度によって決定されることを特徴とする請求項１〜４の少なくとも一項に記載の方法。
6. 少なくとも、時間的に重要な軸が発電運転されるときに、他の軸が運転されることを特徴とする請求項１〜５の少なくとも一項に記載の方法。
7. 少なくとも、時間的に重要な軸が発電運転される時間全体において他の軸が運転されるように、他の軸が許容最高速度よりも低下した速度で運転されることを特徴とする請求項１〜６の少なくとも一項に記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置であって、
   装置が軸を駆動する駆動装置を備え、この駆動装置がそれぞれ少なくとも１個の中間回路を含むコンバータを備え、
   コンバータの中間回路がエネルギーを交換するために互いに接続され、
   軸運動の予測決定手段を有する少なくとも１個のコンピュータが設けられ、特にコンピュータが更に、全エネルギーを最適化した軸の運動を決定するための手段を備えている、上記装置。
9. 特に、運動時に互いに依存して駆動装置を予め計算および制御するために、装置がコンピュータ、特に駆動装置を有する軸のための制御装置を備えていることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. コンピュータと駆動装置のためにマスタースレーブ制御を実施することができ、マスターとして時間的に重要な軸が、そしてスレーブとして他の軸が設けられていることを特徴とする請求項８または９に記載の装置。
11. コンピュータがコンバータに統合して設けられていることを特徴とする請求項８〜１０の少なくとも一項に記載の装置。
12. 装置が、特に巻上げ機のための少なくとも１個の駆動装置と、巻上げ機を備えた主車両の運動のための他の駆動装置とを備えた棚操作装置であることを特徴とする請求項８〜１１の少なくとも一項に記載の装置。

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