NL1022116C2 - Aandrijfbesturingseenheid voor groep van axiale actuatoren. - Google Patents

Description

Aandrijfbesturingseenheid voor groep van axiale actuatoren

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een aandrijfbesturingseenheid voor het aandrijven van een groep van n axiale actuatoren waarbij iedere axiale actuator 5 een bijbehorende axiaal oscillerend lichaam aandrijft, bijvoorbeeld oscillerende rollers in een drukmachine, waarbij n groter dan of gelijk is aan twee, en de aandrijfbesturingseenheid is ingericht om de axiale actuatoren zodanig aan te drijven dat de oscillerende beweging van elk van de bijbehorende axiaal oscillerende lichamen een vooraf bepaalde opeenvolgende faseverschuiving heeft ten einde een massabalans van de axi-10 aal oscillerende lichamen te verkrijgen.

Dergelijke aandrijfbesturingseenheden worden in het algemeen gebruikt in toepassingen waarbij belasting op meerdere assen in een axiale richting dienen te worden bestuurd voor een oscillerende beweging, bijvoorbeeld met gebruik van lineaire motoren of andere aandrijfactuatoren. In het bijzonder, worden deze soort aandrijfeenheden 15 toegepast in drukmachines, waarin een veelvoud van axiaal oscillerende rollers worden gebruikt in bijvoorbeeld het inkt- en dempsysteem. Amerikaans octrooi US-A-6.408.748 beschrijft een computer motorbesturing voor het besturen van de beweging van drie oscillerende rollers in een drukmachine. De computer motorbesturing drijft de afzonderlijke actuatoren van elk van de cilinders op een zodanige manier aan dat de 20 lineaire axiale beweging van elk van de oscillerende rollers 120° uit fase is (onder aanname van een gelijke aangedreven massa). Dit resulteert in een massabalans van de drukmachine, hetgeen leidt tot minder geluid en minder slijtage van de drukmachine. Positiesensoren worden gebruikt om axiale positie-informatie van elk van de oscillerende cilinders in te voeren in de computer motorbesturing. De computer motorbestu-25 ring gebruikt een gecompliceerd algoritme en elektronica om elk van de lineaire actuatoren correct aan te drijven.

De bekende oscillerende rolleraandrijving heeft het nadeel dat gecompliceerde en kostbare elektronica nodig zijn om de oscillerende roller correct te synchroniseren met faseverschuivingen van 120°. De vereiste elektronica omvat aandrijfactuatoren, bestu-30 ringseenheden en sensoren.

Daarom tracht de onderhavige uitvinding een aandrijfbesturingseenheid te verschaffen welke minder gecompliceerd is en minder kostbaar dan bekende aandrijfbesturingseenheden.

1n?? 11 fi I Volgens de onderhavige uitvinding wordt een aandrijfbesturingseenheid van de I soort zoals gedefinieerd in de aanhef verschaft waarbij iedere axiale actuator een mag- I netisch veersamenstel omvat met een veerspoel die de veerconstante k van het magneti- sche veersamenstel bestuurd en een aandrijfspoel welke de aandrijfkracht van de mag- I 5 netische veersamenstel bestuurd, waarbij de veerspoel en de aandrijfspoel samenwer- I ken met een magneetsamenstel dat bevestigd is aan het bijbehorende axiale oscillerende lichaam voor het verschaffen van oscillerende axiale beweging van het axiaal oscille- B rende lichaam, en de veerspoelen van de groep van n axiale actuatoren in series zijn B verbonden tussen twee voedingsknooppunten, waaraan een DC-spanning wordt toege- B 10 voerd.

B In de steady state toestand van de axiaal oscillerende lichamen behorend bij de B groep van n axiale actuatoren, is de beweging van de gecombineerde lichamen in de B axiale richting zodanig dat hun gecombineerde snelheden gelijk zijn aan nul (voor mas- B sabalans), en als gevolg daarvan zal de geïnduceerde spanning van ieder van de veer- B 15 spoelen optellen tot nul. Aangezien de sommatie van de (vectoriële) snelheden van de B oscillerende lichamen gelijk is aan nul hoeft geen spanning aanwezig te zijn, behoudens B de resistieve spanningsval over de wikkelingen, en de spanning die nodig is om de B stroom in stand te houden (zoals vereist voor de elektromagnetische veerconstante).

B Het is derhalve voldoende om een DC-spanning aan de voedingsknooppunten toe te B 20 voeren om automatisch de vereiste massabalans te bereiken.

In een eerste uitvoeringsvorm is de DC-spanning gelijk aan Us = i*XnRSpoei)n, B waarbij i de vereiste stroom is door de serieverbinding van de veerspoelen en RSpoei,n de weerstand is van de respectieve veerspoel. Dit is voldoende om de axiaal oscillerende lichamen in balans te houden (of beter in juiste faserelatie). Geen verdere besturings- H 25 eenheden of sensoren zijn nodig.

Een chopperelement kan verbonden zijn met de voedingsknooppunten in een ver-dere uitvoeringsvorm om de DC-spanning te verschaffen die nodig is om de vereiste veerspoelstroom te verschaffen. Aangezien de geïnduceerde spanningen in de in serie aangesloten spoelen elkaar uitdoven, kunnen veerspoelen met veel wikkelingen en lage 30 stroom gebruikt worden. De resulterende hoge inductantie is geen probleem aangezien de DC-stroom niet snel hoeft te veranderen. Dit verschaft het voordeel dat goedkope vermogenselektronica met lage stroomeigenschappen (goedkoop silicium) en lage VA-specificaties gebruikt kunnen worden die aanzienlijke reactieve vermogens kunnen I verwerken. Er dient opgemerkt te worden dat opgepast dient te worden bij het kiezen van het aantal wikkelingen als deze extreem hoog zijn aangezien de geïnduceerde spanningen over de wikkelingen isolatieproblemen kunnen veroorzaken (bijvoorbeeld wanneer de geïnduceerde spanningen in de kV-gebied komen).

I 5 In een verdere uitvoeringsvorm zijn de aandrijfspoelen van de groep van n axiale I actuatoren ingericht in een sterconfïguratie waarbij één uiteinde van de aandrijfspoelen I is verbonden met een sterpuntverbinding en de respectieve andere uiteinden van de aandrijfspoelen gevoed worden door een n-fasige AC-spanning, bijvoorbeeld een sinu- I soïdale spanning. Dit maakt het mogelijk om de oscillerende beweging van de groep I 10 van n axiale oscillerende lichamen te starten en in stand te houden.

I De sterpuntverbinding kan in een verdere uitvoeringsvorm afzonderlijk worden I gevoed door een sterpuntbesturingsspanning. Dit maakt een onafhankelijke besturing in I elk van de n aandrijfspoelen mogelijk, bijvoorbeeld om in staat te zijn plaats te bieden I aan verschillende massa's of wrijving van elk van de bijbehorende axiaal oscillerende I 15 lichamen.

I Om een verdere mogelijkheid om verschillende massa's en/of wrijving van de I bijbehorende axiaal oscillerende lichamen mogelijk te maken, kunnen de aandrijfspoe- I len van de respectieve axiale actuatoren in een verdere uitvoeringsvorm een verschil- I lend aantal wikkelingen hebben. In het geval dat de oscillatieamplitude van een oscille- I 20 rende lichaam lager dient te zijn, dient het aantal wikkelingen in de aandrijfspoel hoger gekozen te worden. Derhalve wordt de gegenereerde spanning per eenheid snelheid hoger. De resulterende stroom in de aandrijfspoelen is slechts een functie van de resulterende wrijving (geen wrijving betekent geen stroom in de aandrijfspoelen). Er dient opgemerkt te worden dat het aantal wikkelingen in zowel de veerspoel als de aandrijfs-25 poel van de specifieke oscillerende lichaam hoger dient te worden gekozen om een juiste balans te bereiken. Een hogere massa van het oscillerende lichaam heeft een stijvere veer nodig om de resonantiefrequentie gelijk te houden, en daar zijn meer wikkelingen nodig in zowel de aandrijfspoel als de veerspoel.

De onderhavige uitvinding zal nu in meer detail worden toegelicht met gebruik 30 van een aantal uitvoeringsvormen met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen waarin: I Fig. 1 een doorsnedeaanzicht toont van een axiale actuator zoals gebruikt in een uitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding; I Fig. 2 een eenvoudig schematisch diagram toont van een drukmachine met een I oscillerende rolleraandrijfeenheid volgens de onderhavige uitvinding; I 5 Fig. 3 een circuitschema toont van een eerste gedeelte van een aandrijfbesturings- eenheid volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding; en H Fig. 4 een circuitschema toont van een tweede gedeelte van een aandrijfbestu- ringseenheid volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding.

10 Fig. 1 toont een doorsnedeaanzicht van een voorbeeld van een axiale actuator 1 zoals gebruikt in de onderhavige uitvinding. De axiale actuator 1 omvat een as 20 waaraan een oscillerende roller van een drukmachine 2 bevestigd kan worden en welke wordt bekrachtigd door de axiale actuator voor een oscillerende axiale beweging. De rotatieactuatie van de oscillerende roller is niet deel van de onderhavige uitvinding, H 15 maar kan deel uitmaken van de actuator 1 zoals getoond in figuur 1 of kan geïmple- menteerd worden met behulp van een afzonderlijke rotatieactuator, zoals een elektri- sche motor.

De as 20 is voorzien van een ringvormig lichaam 21 van een magnetisch gelei- dend materiaal en een ringvormig gevormde magneet, waarvan de noordpool 22 en de H 20 zuidpool 23 uitgelijnd zijn langs de rotatieas.

H De axiale actuator 1 omvat verder een ringvormig lichaam 24 van magnetisch H geleidend materiaal, en een set van twee spoelen omvattende een veerspoel 5 en een H aandrijfspoel 6. De set spoelen 5, 6 wordt in bedrijf voorzien van een stroom of span- H ning zodat een magnetisch veld wordt gegenereerd (zoals aangegeven door de pijlen in H 25 figuur 1), welke in wisselwerking staat met het magnetisch veld van de ringvormig H gevormde magneet 22, 23 ten einde een oscillerende beweging van de as 20 te ver- H schaffen.

Het samenstel van de set spoelen 5, 6, ringvormig gevormde magneet 22, 23 en de magnetisch geleidende delen 21, 24 vormt het elektromagnetische equivalent van 30 een massaveersamenstel. Door het juist aandrijven van de massa (dat wil zeggen de as 20) met gebruik van de aandrijfspoel 6, kan een steady state oscillatie van de as 20 (en daaraan bevestigde oscillerende roller) verkregen worden bij de resonante frequentie 5 van het magnetische veersamenstel. De veerconstante van het magnetische veersamen-stel is afhankelijk van de karakteristieken van de veerspoel 5 en zijn voeding.

In een drukmachine zijn meerdere oscillerende rollers aanwezig welke gegroepeerd kunnen zijn, bijvoorbeeld in sets van drie oscillerende rollers. Elke set van rollers 5 kan dan worden bekrachtigd voor axiale beweging met gebruik van een axiale actuator 1, en een groep van axiale actuatoren 1 kan worden aangedreven met gebruik van een aandrijfbesturingseenheid. Ten einde een efficiëntere werking van de drukmachines te verschaffen worden de oscillerende rollers van een groep zodanig geactiveerd dat een massabalans daartussen bestaat, waardoor minder geluid van de drukmachine en min-10 der slijtage van de drukmachine wordt verschaft.

Met verwijzing naar figuur 2 is een vereenvoudigde schematische weergave van een uitvoeringsvorm van de aandrijfbesturingseenheid 15 volgens de onderhavige uitvinding beschreven zoals gebruikt voor een drukmachine 2. In de getoonde uitvoeringsvorm drijft de aandrijfbesturingseenheid 15 drie axiale actuatoren 1 aan die elk 15 een oscillerende roller in het inkt- of dempsysteem van de drukmachine 2 aandrijft. De aandrijfbesturingseenheid 15 omvat een veerspoelaandrijfeenheid 3 en een aandrijfs-poelaandrijfeenheid 10. De oscillerende rollers roteren en hebben gelijkertijd een oscillerende beweging in axiale richting ten einde de inkt in het rollersysteem gelijkmatig over de rolleroppervlakten te verspreiden. De aandrijfbesturingseenheid 15 van de on-20 derhavige uitvinding bestuurt de oscillerende beweging van de oscillerende rollers terwijl afzonderlijke besturingen en aandrijvingen gebruikt kunnen worden voor de rota-tiebeweging van de oscillerende rollers. Deze afzonderlijke besturingen en aandrijvingen vallen buiten de beschermingsomvang van de onderhavige uitvinding maar uiteraard kunnen deze geïntegreerd worden met de onderhavige aandrijfbesturingseen-25 heid 15 ten einde een enkele geïntegreerde aandrijfeenheid in de drukmachine 2 te vormen.

In figuur 3 is een schakelingschema getoond van de veerspoelaandrijfeenheid 3 van de aandrijfbesturingseenheid 15 volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding waarbij drie axiale actuatoren 1 synchroon worden aangedreven. De veer-30 spoelaandrijfeenheid 3 drijft de veerspoelen 5a-c van de drie axiale actuatoren 1 aan. De veerspoelen 5a-c zijn in serie verbonden tussen twee DC-voedingsknooppunten 8. In de getoonde uitvoeringsvorm wordt de DC-voedingsspanning Us bepaald door een chopper, welke een schakelaar 4 en een diode 7 omvat. De schakelaar 4 wordt bediend 1; n O O Λ .. Λ I op een hoge frequentie (verschillende kHz) met een constante bedrijfscyclus d, zodat de I voedingsspanning Us die verbonden is met de voedingsknooppunten 8 een pulsbreedte gemoduleerd (PWM) spanning is met een gemiddelde waarde van Us = d * Uin waarbij I Uin de invoerspaiming is voor de chopper, en d de bedrijfscyclus is. De diode 7 functi- I 5 oneert als een terugkoppeldiode welke een continu pad vormt voor de DC-stroom door I de veerspoelen 5a-c.

In figuur 4 is een schakelschema getoond van de aandrijfspoelaandrijfeenheid 10 I van de aandrijfbesturingseenheid 15 volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige I uitvinding. De aandrijfspoelbesturingseenheid 10 bestuurt de drie aandrijfspoelen 6a-c I 10 van de axiale actuatoren 1. De aandrijfspoelen 6a-c maken het mogelijk om de oscille- I rende beweging van de axiale actuatoren 1 te beginnen en in stand te houden, welke wordt overgedragen aan de oscillerende rollers. Bij voorkeur worden de aandrijfspoelen 6a-c voorzien van een driefasige sinusoïdale spanning. De aandrijfspoelen 6a-c zijn gerangschikt in een sterconfiguratie waarbij één uiteinde van elke aandrijfspoel 6a-c 15 verbonden is met een sterpuntverbinding 9.

De driefasige vermogensvoeding kan bijvoorbeeld bereikt worden met gebruik van een inverteerelement 10, getoond in figuur 4, welke drie bovenschakelaars lla-c omvat en drie onderste schakelaars. De bovenste schakelaars lla-c zijn aan één uit- einde verbonden met een positieve aansluiting 13 en aan het andere uiteinde met de 20 respectieve aandrijfspoelen 6a-c. De onderste schakelaars 12a-c zijn aan één uiteinde verbonden met een negatieve aansluiting 14 en aan hun andere uiteinde met de boven- H ste schakelaars 1 la-c en de aandrijfspoelen 6a-c. Tussen de positieve aansluiting 13 en H de negatieve aansluiting 14 wordt een aandrijfspanning Ud toegevoerd. Het inverteer- H element 10 is ingericht om opeenvolgend de bovenste en onderste schakelaars lla-c, H 25 12a-c te sluiten en te openen zodanig dat de aandrijfspoelen 6a-6c opeenvolgend wor- H den gevoed met een onderling faseverschil van 120', in het geval de aangedreven H massa (actuatoras 20 en oscillerende roller) gelijk is voor alle drie oscillerende rollers.

Andere bekende schakelingen of elektronische elementen kunnen gebruikt worden om de aandrijfspoelen te voorzien van een driefasige voeding.

30 De sterpuntverbinding 9 kan een zwevende potentiaal hebben of als alternatief verbonden zijn met een spanning Ust- Dit maakt het mogelijk om onafhankelijk de ver-mogensvoeding in elke aandrijfspoel 6a-c te besturen door het synchroon besturen van de spanning Ust- Dit kan zeer voordelig zijn wanneer de oscillerende rollers die verbon- I den zijn met de axiale actuatoren elk een afzonderlijke massa of wrijving hebben en I dus een verschillende axiale actuatorbesturing vereisen. Als alternatief kan het aantal I wikkelingen van elke aandrijfspoel 6a-c aangepast worden om plaats te bieden aan ver- schillende massa of wrijving.

I 5 De veerspoelen 5 zorgen voor het reactieve vermogen in het magnetische veer- samenstel. Het reactieve vermogen is het vermogen dat nodig is om kinetische energie I over te dragen van één oscillerend lichaam naar het andere. Aangezien de veerspoel- I stroom constant is, is er geen demping door de elektrische spoel-veerweerstand. De I aandrijfspoelen 6 voorzien alleen in de wrijvingsverliezen in steady state (het actieve I 10 vermogen). De aandrijfspoelen 6 worden aangedreven door onafhankelijke spannings- I bronnen en daardoor zal het oscillerende lichaam met de hoogste wrijving de meeste I stroom trekken hetgeen de beweging van een set oscillerende rollers equaliseert. De aandrijfspoel weerstand heeft een nuttig en bedoeld dempeffect.

Om plaats te bieden aan een verschillende massa van een oscillerend lichaam, 15 moet het aantal wikkelingen in de veerspoel 5 aangepast worden (onafhankelijk van wrijving), proportioneel aan de massa. Krachtbalans vereist een lagere snelheid van het oscillerende lichaam met de hogere massa, en derhalve moet het aantal wikkelingen in de aandrijfspoel 6 in dezelfde verhouding verhoogd worden.

Om plaats te bieden aan een verschillende wrijving in de oscillerende rollers, 20 hoeft niets gedaan te worden aangezien de aandrijfstroom proportioneel zal zijn aan de belasting.

In het geval dat ongelijke massa's worden gebruikt voor de oscillerende lichamen zal de fasehoek tussen de drie rollerbewegingen ongelijk zijn aan 120°, echter zowel krachtenbalans als vermogensbalans kan behouden blijven voor elke combinatie van 25 verschillende massa's.

Wanneer aangedreven met juiste fasehoeken (120° in het geval van gelijke massa) in een steady state toestand van de aandrijfbesturingseenheid 15, zullen de aandrijfspoelen 6a-c het vereiste vermogen verschaffen om wrijving te overwinnen. Inerti-ele vermogensoverdracht tussen de bewegende massa's wordt verzorgd door de serie-30 verbinding van de veerspoelen 5a-c. Geen sensoren of besturingen zijn nodig om het systeem in een stabiele steady state werking te houden. De snelheid van de oscillerende rollers (of beter de as 20 van de axiale actuator 1) wordt bestuurd door het besturen van de spanning op de aandrijfspoelen 6a-c met gebruik van de aandrijfspoelaandrijfeen-

1 Π 9 9 1 1 P

I 8 heid 10. In geval dat de snelheid te laag is, zal de stroom door die aandrijfspoel 6a-c I toenemen (en derhalve de aandrijfkracht op die specifieke actuatoras 20), en in het ge- I val dat de snelheid te hoog is zal de stroom afnemen waardoor uitslagen van de vereiste I snelheid (proportioneel aan de toegepaste spanning) zeer klein blijven zelfs zonder I 5 enige (mechanische) meting.

Gedurende het opstarten van de drukmachine 2 zullen de aandrijfspoelen 6a-c de I energie verschaffen om de oscillerende beweging in het systeem op te bouwen. De I aandrijfspoelen 6a-c zijn in staat de veerspoelen 5a-c te overwinnen aangezien de aan- drijfspoelen door een spanningsbron worden gevoed en de veerspoelen in principe I 10 stroom gedreven zijn.

I In de hierboven beschreven uitvoeringsvorm is de aandrijfbesturingseenheid 15 I getoond voor het aandrijven van een groep van drie axiale actuatoren 1. Voor de des- I kundige zal het duidelijk zijn dat de verschillende aantal axiale actuatoren 1 kan wor- den toegepast, waarbij alleen de driefasige voeding van de aandrijfspoelaandrijfeenheid 15 10 naar een n-fasige voeding dient te worden aangepast. De veerspoelen 5a-c van vele I groepen van axiale actuatoren kunnen (in parallel of in serie) gevoed worden door de- zelfde veerspoelaandrijfeenheid 3 hetgeen zeer kosteneffectief is. Aangezien de aan- drijfspoelen 6a-c worden gevoed door een spanningsbron kunnen vele aandrijfspoelen 6a-c van verschillende groepen axiale actuatoren 1 parallel worden verbonden met de 20 aanname van identieke massa's tussen de groep van axiale actuatoren 1, dezelfde oscil- latiefrequentie en een voldoende uitgeruste aandrijfspoelaandrijfeenheid 10 die in staat is de vereiste elektrische stroom te verschaffen.

Claims (6)

1. Aandrijfbesturingseenheid voor het aandrijven van een groep van n-axiale ac- tuatoren (1), waarbij iedere axiale actuator een bijbehorend axiaal oscillerend lichaam 5 (20) aandrijft, bijvoorbeeld oscillerende rollers in een drukmachine (2), waarbij n groter dan of gelijk is aan twee, de aandrijfbesturingseenheid (15) is ingericht om de axiale actuatoren (1) zodanig aan te drijven dat de oscillerende beweging van ieder van de I bijbehorende axiaal oscillerende lichamen (20) een vooraf bepaalde opeenvolgende faseverschuiving heeft ten einde een massabalans van het axiaal oscillerende lichaam I 10 (20) te verkrijgen, I met het kenmerk, I dat iedere axiale actuator (1) een magnetisch veersamenstel omvat met een veer- I spoel (5) die de veerconstante k van het magnetische veersamenstel bestuurt en een I aandrijfspoel (6) die de aandrijfkracht van het magnetische veersamenstel bestuurt, I 15 waarbij de veerspoel (5) en aandrijfspoel (6) samenwerken met een magneetsamenstel I (22, 23) dat bevestigd is aan het bijbehorende axiale oscillerende lichaam (20) voor het verschaffen van de oscillerende axiale beweging van het axiaal oscillerend lichaam I (20), en de veerspoelen (5) van de groep van n axiale actuatoren (1) in serie zijn verbon- I 20 den tussen twee voedingsknooppunten (B) waaraan een DC-spanning Us wordt toege voerd.

2. Aandrijfbesturingseenheid volgens conclusie 1, waarbij de DC-spanning Us gelijk is aan Us=i*ZnRspoei>n, waarbij i de vereiste stroom is door elke veerspoel (5) 25 en Rsp0ei,n de weerstand is van de respectieve veerspoel (5).

3. Aandrijfbesturingseenheid volgens conclusie 1 of 2, waarin een chop-perinrichting (3) is verbonden met de voedingsknooppunten (8) om de DC-spanning Us te verschaffen. 30

4. Aandrijfbesturingseenheid volgens één van de conclusies 1 tot en met 3, waarbij de aandrijfspoelen (6) van de groep van n axiale actuatoren (1) zijn ingericht in een sterconfiguratie waarbij één uiteinde van de aandrijfspoelen (6) verbonden is met 1n??i i fi I 10 een sterpuntverbinding (9) en de respectieve andere uiteinden van de aandrijfspoelen (6) gevoed worden door een n-fasige AC-spanning.

5. Aandrijfbesturingseenheid volgens conclusie 4, waarbij de sterpuntverbinding I 5 (9) afzonderlijk wordt gevoed door een sterpuntbesturingsspanning Ust.

6. Aandrijfbesturingseenheid volgens één van de conclusies 1 tot en met 5, waar- I bij de veerspoelen (5) en/of de aandrijfspoelen (6) van de respectieve axiale actuatoren (1) een verschillend aantal wikkelingen hebben. ********